리튬황-리튬메탈-고체전해질 ‘삼국지’…왜?

전기차용 차세대 전지 부각…LG화학-삼성SDI-현대차 각축

리튬황-리튬메탈-고체전해질 ‘삼국지’…왜?

▲LG전자와 LG화학의 전장부품과 전기차용 전지가 70% 이상 들어갔다는 GM의 쉐보레 볼트. 사진=GM

[에너지경제신문 안희민 기자] "전지 성능이 좋아야 전기차도 진화한다." 전기차 심장은 전지다. 테슬라, GM, 현대차 등 주요 전기차 제조기업이 1회 충전 350km 장거리 전기차를 예고하고 있지만 아직도 소비자는 목마르다. 전기차가 보다 멀리 달리고 오래 쓸 수 있기를 바라기 때문이다. LG화학, 삼성SDI 등 전지완제품 제조기업과 현대차와 같은 자동차 기업까지 소비자 열망에 부응하고자 차세대 전지 개발 경쟁에 뛰어들고 있다. 10일 본지 취재에 따르면 리튬전지를 대체할 차세대 전지로는 주로 리튬황전지, 리튬메탈전지, 고체전해질전지 개발에 집중된 것으로 밝혀졌다.

▶리튬황 전지 ‘관심 폭주’ = 리튬전지는 리튬이온전지보다 에너지밀도가 4~5배 높은 것으로 알려졌다. 게다가 ’황‘이 값싸고 가볍다. 드론 장착용 전지에는 리튬황 전지가 제격이다. KIST 조원일 박사 연구팀은 2016년 에너지밀도가 kg당 150Wh인 리튬황 전지 개발에 성공했다. 2017년 240Wh 2018년 300Wh에 도전하고 있다. 현재 초기 사이클에서 170Wh가 실현되고 100사이클 이후 150Wh가 넘는 긍정적인 결과를 낳고 있다. 사이클은 사용횟수다.

연구 성과도 출중하다. 음극재인 리튬메탈소재에 코팅하는 방법으로 수상결정(dendrite)의 성장을 막고 분리막을 간편하고 쉽게 코팅해 리튬황 양극을 안정화시키는 법을 개발했다. 양극재도 복합재를 사용해 리튬황 전지의 고질적인 문제인 황 성분의 전해질 용해를 억제하는 방법이 개발되고 있다. 국내에선 김명환 LG화학 사장이 직접 차세대 전지 개발을 진두지휘하고 있는 것으로 알려졌다. 삼성SDI도 리튬황 전지 개발에 뛰어들었다고 한다.

외국에는 리튬황 전지 개발이 상당히 진행됐다. 현재 리튬전지의 에너지밀도는 kg당 230Wh 전후인데 미국의 사이언파워와 영국의 옥시스에너지가 400Wh를 실현한 것으로 알려졌다. 코넬대학의 아처 교수는 분리막에 리튬플로라이드(LiF) 코팅을 하는 방법으로 수상결정의 위해성을 잡았다. 자라난 수상결정은 부러져 전해액을 오염시키기도 하지만 분리막을 찢어 단락의 원인이 되기도 한다. 아처 교수는 이밖에도 분리막의 구멍크기를 20나노미터로 제한하거나 실리카 소재 나노 크기 유리구슬에 폴리머를 씌워 안정화시키는 방안을 제안하기도 했다.

▶차세대 전지의 시작, 리튬메탈 전지 = 리튬메탈 전지는 향후 개발될 차세대 전지의 플랫폼 역할을 한다. 리튬황 전지는 리튬메탈 소재 음극재에 황성분 양극재를 얹은 것이다. 리튬마크네슘 전지도 마찬가지다. 따라서 중요성을 따지면 리튬메탈 전지는 리튬황 전지에 뒤지지 않는다.

리튬메탈 전지 개발엔 LG화학, 코캄 등이 이름을 올리고 있다. 코캄은 KIST와 협력관계를 맺고 있고 LG화학은 전기연구원과 함께 하고 있다. 전기연구원은 리튬메탈 음극재를 이용해 실제 전지를 꾸몄을 때 어떤 일이 일어나는지를 연구하고 있다. 그간 연구가 소재 개발에만 역점을 두고 있어 전지 시스템에서 발생되는 돌발상황을 잘 알지 못한다는 반성이 있기 때문이다. 김현수 책임연구원은 "예전에 비해 황전극이나 리튬을 다루는 기술은 향상돼 있지만 전지셀 단계까지 진전되지 않았다"며 "전지셀을 제작할 경우 나타나는 특성을 보고자 한다"고 말했다.

▶삼성SDI-현대차, 고체전해질 선구자 도요타 맹추격 = 전해질은 이온 교환을 돕는다. 주로 액체상태로 음극을 출발한 리튬이온이 양극에 안착하는데 돕는다. 이 과정에서 리튬이온은 전자를 내뱉어 전기를 생산한다. 문제는 전해질이 열을 받으면 폭발의 원인을 제공한다는 점이다. 그래서 액체상태가 아닌 고체상태의 전해질이 개발되기 시작했다.

고체전해질 전지의 선두기업은 도요타다. 한국에선 삼성SDI와 현대차, LG화학이 맹추격을 하고 있다. 고체전해질 전지는 액체 전해질보다 이온 교환 속도가 100배 이상 느리다. 이를 보완한 물질이 황이다. 황은 고체인데도 불구하고 내부에 흐르는 이온의 속도가 액체 수준과 비슷하다. 다만 황은 수분에 민감하게 반응하기 때문에 진공상태에서 제조돼야 한다.

이런 점은 구하기 쉬워 값싼 황의 장점을 잠식한다. 도요타, 삼성SDI, 현대차는 황 성분을 이용해 고체전해질 전지 제조에 도전하고 있다. 고체전해질 전지의 재료는 황 외에도 산화물, 세라믹, 인산염 등이 있다. 익명을 요구한 국내 모 연구기관에서 황 소재 외에 산화물을 이용한 고체전해질 전지를 연구하고 있는 것으로 알려졌다. 산화물 고체전해질 전지는 시트 형식으로 만들다 보니 황화물 고체전해질 전지보다 이온교환속도가 떨어진다. 그러나 공정이 단순하고 수분에 노출돼도 입자 구조에 변화가 없다는 장점 때문에 연구되고 있다.

▶나트륨 이온전지로 자동차 시동 건다 = 진봉수 전기연구원 책임연구원은 요새 나트륨이온 전지로 자동차 시동 거는 연구에 연구하고 있다. 나트륨은 소금의 원료다. 그래서 나트륨이온 전지를 소디움(Sodium) 전지라고도 부른다. 문제는 소디움 전지는 리튬전지보다 에너지밀도가 낮다는 점이다.

진 책임연구원은 전기차 운행이 아닌 자동차 시동 등 저출력 전지에서 틈새를 발견했다. 자동차 시동엔 큰 에너지밀도가 필요하지 않기 때문에 소디움 전지도 충분히 활용가능하다. 이 연구는 전기연구원 단독으로 진행하고 있다. 그는 "가격이 낮으면서도 납축전지보다 수명이 서너배 좋은 전지 소재론 나트륨이 제격"이라고 말했다.