김 민 섭_ 한국과학기술연구원 학생연구원
김 문 석_ 한국과학기술연구원 전문연구요원
조 원 일_ 한국과학기술연구원 책임연구원

1. 서론

2016년 세계경제포럼(WEF)은 상위 10개 신흥 기술 가운데 하나로 차세대전지 시스템을 언급하였으며, 최근 가속화되고 있는 4차 산업혁명과 더불어 활발히 열리고 있는 스마트시대는 스마트 카, 스마트 팩토리, 스마트 홈, 스마트 시티, 스마트 농장, 스마트 그리드 등 스마트 시스템의 구축과 2015년 195개국의 채택으로 체결된 파리협정의 이행을 위한 대응책 마련 등 사회적 이슈에 부응하는 에너지 저장장치로서의 그 역할을 늘이고 있다.
1991년 시장에 등장한 리튬이온전지는 이차전지 분야에서 20세기의 대미를 장식하는 최대의 성과였다. 비록 미국의 앞선 원천기술이 있기는 하였지만, 일본 특유의 응용성을 발휘하여 상용화에 성공한 리튬이온전지는 리튬전이금속 산화물을 양극으로 흑연을 음극으로 하고 있으며, 그 뛰어난 성능 때문에 초기 시장에서 핸드폰에서 시작하여 노트북, 전동공구, 전기자동차를 거쳐서 수 MWh급의 에너지 저장장치에 이르기까지 날이 갈수록 그 응용범위가 확산하고 있다. 리튬이온전지가 비록 현재 상용화된 이차전지 가운데 가장 성능이 우수한 전지시스템이기는 하지만, 에너지밀도가 250Wh/kg으로 제한되기 때문에1) 전기자동차의 일회 충전 주행거리를 대폭 향상시키거나 드론과 같은 무인이동체의 비행거리와 시간을 늘리기 위해서 새로운 전지시스템의 개발 및 상용화가 요구되고 있다.
2010년 J.M. Tarascon교수가 언급한 전지시스템을 살펴보면2), 공교롭게도 리튬이온전지의 에너지밀도를 능가할 수 있는 몇 개의 새로운 전지 시스템은 모두 음극을 리튬금속을 사용하는 것이다. 리튬금속은 주기율표상에서 수소원자 바로 밑에 위치하며, 무게가 가볍고 에너지밀도가 크기 때문에 일찍이 음극으로 잘 알려져있다. 사실 북미에서 처음 시장에 선보인 리튬이온전지에 적용이 됐으나 반복되는 충·방전 과정에서 생기는 리튬 덴드라이트의 형성에 따른 부반응의 조절에 실패하면서 시장에서 사라진 시스템이 되었다. 본고에서는 에너지밀도 측면에서 리튬이온전지의 성능을 능가할 것으로 기대가 되고 있는 리튬금속전지, 리튬-황전지, 리튬-공기전지의 원리 및 최근 연구동향을 살펴보았으며, 이를 통하여 장차 이차전지 시스템의 변화가 언제 어떻게 일어날 것인지를 예측하는데 도움을 주고자 하였다.

자세한 내용은 본지 9월호에서 확인하실 수 있습니다.