[칼럼]-[과학이야기] 미래를 여는 차세대 이차배터리의 연구동향 및 기술발전 현황 II

[이장로]

지난주 이차배터리의  II편입니다. 

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<신문칼럼> [과학이야기]

미래를 여는 차세대 이차배터리의 연구동향 및 기술발전 현황 II

                                                                                                                    -이 장 로

전기 에너지원으로서 기존의 리튬-이온전지(Lithium-ion battery)보다 성능이우수한 차세대 이차전지기술개발을 위한 선두경쟁이 치열해지고 있다.

앞으로 전고체전지(all solid state battery), 리튬-메탈전지(Lithium–metal battery), 리튬-황전지(Lithium–sulfur battery) 및 리튬-공기전지(Lithium-air battery)에 대한 개발결과로 상용화가 이루워지게 되면, 스마트폰은 한번 충전으로 5일 이상 사용가능하고, 전기자동차에 장착할 경우 1회 완전충전으로 2000 km이상 주행이 가능한 전기차의 등장이 기대된다.

앞에서는 주로 리튬-이온전지에 대해서 살펴보았고, 계속해서 1996년 미국 텍사스 주립대학의 연구팀이 철(Iron)을 충전물질로 사용하여 개발한 요즈음 인기가 높아지고 있는 리튬-인산철배터리(Lithium-iron phosphate battery: LiFePO₄)에 대해서 조금 더 알아보기로 한다.

리튬-인산철배터리의 장점을 들어보면

• 무게가 가볍다. 인산철배터리 단전지의 전압과 용량은 각각 3.2 V, 3400 mAh로, 방전시 종지전압 직전까지 3.2 V를 유지하는 정전압 방전특성을 가지므로 전압조정회로가 없어도 회로구성이 가능하여 그 크기가 줄어든다. 또한 충/방전특성이 단순해서 충전회로도 정전류/정전압 방식으로 제작하므로 복잡한 배터리관리회로(battery management system: BMS)가 없어도 된다.

• 다른 종류의 리튬-이온 배터리에 비해 수명이 길다. 리튬-인산철배터리는 자기용량의 90 %까지 방전후 재충전 반복횟수가 2000회 이상으로 납축전지에 비해 3배 이상 수명이 길며, 2000회 이상 충/방전 후에도 최초 성능용량의 80 % 이상을 유지할 수 있다. 즉, 100 Ah 배터리를 2000회 충/방전시킨후에도, 용량이 80 Ah정도 밖에 줄어들지 않는다. 그러므로 용량감퇴율이 다른 리튬계열의 배터리보다 낮아 더 긴 수명을 갖는다.

• 단전지 하나의 정격전압이 3.2 V이므로 이것을 4개 직열로 연결하면 12.8 V로 일반적인 승용차에서 사용하는 전압인 12 V와 엇비슷하다. 그러므로 리튬-인산철배터리는 지금까지 자동차 시동배터리로 주로 사용해온 기존의 납축전지를 대체할 것으로 보인다.

• 안전하다- 납축전지는 과충전이나 과방전시 수소가스가 새어나오는 위험성이 있어 고온이나 저온 환경에서 성능이 급격히 떨어진다. 그리고 리튬-이온이나 리튬-폴리머 배터리는 과충전이나 과방전시 급격한 온도상승과 폭발현상이 발생할 수 있다. 그러나, 리튬-인산철배터리는 과방전, 과충전시 폭발하지 않고 강한 외부 충격이나 고온, 화재에도 폭발하지 않는다. 리튬-인산철 배터리는 섭씨 60~70도 정도의 환경에서 오히려 정격용량보다 10 % 정도 더 많은 에너지를 안정적으로 방전시킨다. 현재까지 상용화된 배터리 중 가장 안전성이 우수하다 할 수 있다.

• 에너지 밀도가 높다– 리튬-인산철 배터리는 납축전지에 비해 무게당 에너지밀도가 2배가량 높다. 그러나 리튬-이온배터리가 리튬-인산철배터리보다 에너지밀도가 1.5배 더 높아서 리튬-인산철 배터리는 에너지밀도가 높진 않지만, 수명이 3배 이상 더 길고, 사용상 위험성이 없다는 안전성을 가지고 있다.

• 출력에너지가 크다- 실험결과에 따라서 용량과 전압이 각각 100 Ah, 12 V 납축전지와 100 Ah, 12.8 V 리튬-인산철배터리를 비교해 보면, 납축전지는 완충 후 배터리 손상이 안가는 12.0 V정도까지 방전시 출력되는 에너지가 600 wh 정도이나, 리튬-인산철배터리는 1050 wh 정도로 거의 두배가량 많으며, 9 V까지 내려가도 배터리가 손상되지 않으며, 이때까지 출력시엔 1150 wh 정도를 사용할 수 있다.

• 낮은 자기방전율을 갖는다- 납축전지는 월 5~20 %의 자가방전이 되며, 리튬-인산철배터리는 월 1 %의 자가방전이 된다. 즉, 납축전지는 완충 후 6~12개월이 지나면, 배터리가 자연방전되어 손상을 입지만, 리튬-인산철 배터리는 1년간 충전 안해도 85 % 정도의 용량을 그대로 유지한다.

• 좋은 방전특성을 갖는다- 납축전지는 지속방전시 배터리가 손상될 수 있지만, 리튬-인산철 배터리는 지속방전 특성과 순간방전 능력 모두 납축전지보다 훨씬 뛰어나다.

• 유지보수가 불필요하다- 납축전지처럼 정기적으로 증류수 보충 등의 정기적인 유지보수가 수명주기 내에서 필요 없다.

단점으로는

• 리튬-이온이나 리튬-폴리머 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮다. 즉, 축전량이 리튬-코발트계열에 비해 14 % 정도 적은 양을 충/방전할 수 있다.

• 기존의 납축전지에 비해 3배정도의 높은 추가비용이 소요된다.

• 기존의 다른 리튬이온 계열의 배터리와는 충전전압이 달라 사용하려면 추가로 별도의 충전기가 필요하다는 점을 들 수 있다.

 결과적으로 위에 언급한 내용중에서도 리튬-인산철배터리의 가장 큰 장점은 수명이 길고 폭발 가능성이 아주 낮아서 안전하다는 것이다. 따라서 요즈음 자동차 시동배터리, 내부의 블랙박스 등 보조전원으로 적합하여 많이 사용하고 있다.

 필자도 최근에 자동차 블랙박스의 상시운용과 주차운용시간연장을 위한 전용보조배터리로 12-14.6 V의 전압과 13600 mAh 용량을 갖는 리튬-인산철배터리를 장착하고 그 성능에 만족해하고 있다. 따라서 이 보조배터리의 장착으로 기존차량에 설치된 배터리의 방전걱정이 줄어들고 수명연장효과도 기대할 수 있게 되었다.

3. 전고체전지

1. 리튬-이온 전지시대 이후의 대세를 이루게 될 전고체전지는 2011년 동경공업대 Ryoji Kanno 교수가 상온에서 유기 액체 전해질과 동등한 수준의 높은 이온전도도(1.2 x 10^-2 S/cm)를 가진 LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂)계열 황화물 고체전해질을 개발하면서 비롯되었으며 전해질 뿐만 아니라 배터리의 모든 소재가 고체로 이루어져 있다.

   그 개발과정에서 음극재로 리튬메탈을 채택한 리튬-메탈전지와 양극재로 황을 채택한 리튬-황전지가 부분적인 상용화를 시도할 것이다. 두 전지 모두 고체 전해질 개발이 뒤따라야 상용화 가능성이 높아 질 것이다. 결국 황 양극재, 리튬메탈 음극재, 고체 전해질은 독자적인 경쟁기술이라기보다 상호보완적인 기술로 볼 수 있다.

   전고체전지 장점으로서는

   • 폭발 및 발화 특성이 없어 안전성이 우수하다. 고체 전해질은 온도 변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험이 없다. 부피 팽창이 발생하지 않고, 열과 압력 등 극한 외부 조건에서도 정상 작동할 수 있다.

   • 높은 에너지 밀도를 갖는다. 2극성(bipolar) 구조로 적층가능하다. 즉 유기 전해액을 고체 전해질로 대체하면 집전체 양면에 음극과 양극이 결합된 2극성 전극의 적용으로 단전지에서 10 V 이상의 고전압이 만들어진다. 즉 리튬-이온전지에서 14.4 V의 전압을 얻으려면 3.7 V 전지 4개를 직열연결해야 하는데, 전고체전지에서는 단 1개의 단전지로 가능하다. 이처럼 단전지화로 분리막, 집전체, 셀외장재 등이 감소해 셀 부피가 줄어들고, 배터리관리회로의 최소화가 가능하여 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다.

   • 고출력이 가능하다. 액체 전해질과 달리 리튬이온이 용매와 분리되는 탈용매 반응이 불필요하다. 충/방전 반응이 곧 고체내 리튬이온의 확산 반응으로 반영돼 높은 출력이 가능하다.

   • 사용 온도가 넓다. 기존 유기 전해액에 비해 넓은 온도 영역에서 안정적인 성능을 확보할 수 있다. 전기차 사용자의 가장 큰 애로사항이 겨울철에 배터리 성능이 저하돼 주행거리가 줄어드는 것인데, 저온에서도 높은 이온전도도를 보여서 전고체전지 시대가 오면 낮은 온도환경에서의 불안이 없어질 것이다.

   • 전지 구조가 단순하다. 분리막이 필요 없다. 제조공정 상에서 현탁액(slully)상태의 고체 전해질을 양극활물질에 코팅한다. 액체 전해질의 주액공정없이 연속공정을 통해 다양한 형태의 다층구조 셀을 만들 수 있다.

   • 다양한 초소형 전자기기-전기차에 활용이 가능하다는 것이다.

   한편 전고체전지 단점을 들어보면, 현실적으로는 고체전해질 소재, 활물질-전해질 경계의 높은 계면저항, 제조공정 등에 관하여 많은 과제를 안고 있다. 소재는 아직 기대성능에 미치지 못하고 있다. 단전지 제조과정에서 엄청난 압력과 온도를 필요로 하여 양산설비를 만들기가 쉽지 아니하다. 고체이기 때문에 이질적인 파우더끼리 계면저항, 전극과 전해질의 계면저항을 피할 수 없다.

   고체전해질은 액체전해질에 비해 이온전도도가 낮다는 것이 본질적 문제이고, 기존 리튬-이온전지처럼 전극 제조시 현탁액상태로 코팅하면 용량이나 효율 특성이 현저하게 떨어진다.

   가격측면에서 볼 때 액체전해질과 분리막을 더한 것보다 원가가 더 낮은 고체전해질 소재의 개발이 쉽지 아니하다. 또한 음극재까지 리튬메탈로 바꾸면 새로운 생산 설비가 필요하기 때문에 제조원가가 높아진다.

   그리고 전고체전지 시장 전망을 보면, 일본 후지경제 연구소는 글로벌 전고체전지 시장이 2035년에 2조 8,000억 엔 규모로 성장할 것으로 전망하고 있다.

   성남소재 SNE Research에 따르면, 전고체전지를 탑재한 전기차는 2030년 200 만대로 전기차 시장의 10 %를 차지할 것으로 전망하고 있다.

   전고체전지를 연구하는 주요국내연구소는 한국전자부품연구원, 삼성종합기술연구원, KIST 그리고 한국화학연구소 등이다.

   -다음호에 계속

[이장로]

현대차가 출시할 전기자동차가 1회충전으로 현재의 약 500km정도에서

800km (전고체전지사용경우?)을 목표로 하고 있는 것 같습니다.


앞다투어 이차배터리개발에 열을 올리고 있으니 점점 주행거리가 연장될 것 같습니다.

기대해야지요.

[밝은세상 (김기홍)]

베터리 기술은 매우 중요할 것 같습니다

얼마전 실내 청소기를 구입하려다가 베터리의 성능을 체크하고는 포기 했네요

베터리의 성능이 구매포인트가 되는 것은 분명합니다

계속 개발해주기 바랍니다

[무명화(김진영)]

이장로 님, 훌륭한 자료 올려놓아서 잘 읽었습니다.
미래를 여는 차세대 이차배터리를 개발하기 위한 연구가 진행 중이어서 정말 기쁜 일입니다.
이차배터리가 개발 된다면 나이 든 우리들에게 꼭 필요한 것이 있습니다.
스마트폰을 자주 충전하는데 한번 충전으로 5일 이상 사용이 가능한 전지가 나온다면 무척
편리할 것 같습니다.
훌륭한 자료 올리느라고 수고가 많았습니다. 코로나 19 잘 이기시고 건강하십시오.
문자로도 훌륭한 자료 보내주셔서 감사합니다.