핵심전략소재 자립을 위한 소재산업 생태계 조성 및 기술 개발 동향 (1)

리튬이차전지와 세라믹 소재

이 승 훈 _ 한국과학기술연구원 학생연구원

Do Van Dung _ 한국과학기술연구원 박사후 과정

조 원 일 _ 한국과학기술연구원 책임연구원

머리말

새삼 원고 집필 부탁을 받고, 잠시 생각해 보았다. 세라믹과 리튬이차전지가 무슨 관련성이 있을까?하 는 우둔함이 먼저 다가왔기 때문이다. 그러나 곰곰 이 생각해 보니 최근에 벌어지고 있는 ESS(Energy Storage System)와 Toyota 자동차가 발표한 “2020 동경올림픽에 전고체 배터리 탑재 전기자동차(EV, electric vehicle) 전시”가 떠올라 이 요청을 받아들 이게 되었다.

사람의 삶을 유지하는 필수 3대 요소가 “의·식·주” 라는 것을 우리는 익히 알고 있으며, 그리스신화에 등장하는 프로메테우스의 “불” 훔치기에서 드러나 듯이 에너지는 이러한 요소를 더욱 편리하도록 이끌 고 있다. 지구상에 존재하는 에너지원(화석연료, 수 력, 원자력, 태양열, 풍력, 태양광 등)은 매우 많지만, 1차 에너지원에서 변환된 전기에너지의 등장은 지난 해 개봉된 “Current War”에서 보듯이 인간의 삶에 엄청난 변화를 가져왔으며, 지금도 현재 진행형이다.

전기를 만들고(발전), 멀리 운송하여(송전), 필요한 곳에 분배하는(배전) 과정을 통해 전기에너지를 사 용하게 되는데, 생명체로 비유하면, 태어나서(발전), 자라고(송전), 활동하고(배전), 소멸하는 과정을 겪 게 된다. 그러므로 한번 만들어져 쓰이지 않으면 그 대로 없어진다. 이 때문에 과거에는 발전소를 정지하 거나, 또는 심야에 쓰는 전기요금을 할인하는 정책 들이 만들어졌었다.

당연히 여기서 전기에너지 저장을 생각하게 되며 많은 에너지 저장방법 가운데 하나로 이차전지를 생 각하게 된다. 1800년 이탈리아의 알렉산드로 볼타 교수가 고안한 전지를 과학사에서는 인류 최초의 전 지로 내세우고 있으나, [1] 기원전 시기에 이미 유사한 원리를 사용한 흔적이 남아 있다. [2]

그림 1에서 보듯이 이라크의 바그다드시 외곽, 에 서 출토된 십여 개의 토기의 구조를 살펴본 결과 가 운데는 쇠 막대가 그 주위를 구리 관이 둘러싸고 있 으며, 당연히 이 두 금속을 연결하는 이온이 움직일 수 있는 용액은 모두 증발하거나 새어서 없는 상태
이다. 이를 복원하여 식초를 채워 양 금속 사이의 전 압을 재었는데 약 1.1 V가 측정되었으며, 이를 그림 2.(b)에 나타냈다.

실제로 구리의 표준 환원전위가 +0.34 V, 철은 –0.44 V 이므로 0.34 V + 0.44 V = 0.78 V가 측정 되어야 하는데, 아마도 구리 혹은 철 내에 있는 불 순물 금속에 의해서 이 전위가 달라져 아연에 가까 운 전위 1.1 V가 측정되었을 것으로 판단된다. 이 바 그다드 전지에서 발생하는 전위차를 이용하여 금 또는 은을 도금하는데 사용하였을 것으로 많은 사 람이 추정하고 있다. 우리가 과학사적으로는 전지의 역사가 220년 가량된 것으로 말하고 있지만, 전지의 원리를 충분히 알지 못했을 것으로 추측되는 2000 년 전 페르시아 왕조 시대에 어떻게 사람들이 전지 원리를 실생활에 적용할 수 있었나 하는 것은 아직 도 풀지 못하는 수수께끼이다.

오늘날 우리가 가장 널리 사용하는 이차전지, 즉 재충전하여 반복사용이 가능한 전지는 자동차의 시 동, 램프, 점화에 사용하는 납축전지와 스마트폰, 노트북, 전동 공구, 드론, EV와 ESS에서 사용하는 리 튬이차전지가 대표적이다. 납축전지는 1859년 프랑 스의 물리학자, 가스통 플랑테가 개발한 후 160년이 지난 지금까지 사용되고 있지만 [3] , 무게 또는 부피당 저장할 수 있는 전기에너지 양이 적고, 그 주요 구성 요소가 세라믹과 다소 거리가 있으므로 본고에서는 리튬이차전지를 중심으로 하여 다루고자 한다. 세라믹은 금속 혹은 준금속의 무기질 화합물과 이 온 결합 혹은 공유결합을 하고 있는 비금속 물질로 이루어진 고체 물질을 지칭하며, 보통 예로서 우리 주변에서 토기, 도자기 및 벽돌을 들 수 있다. [4] 조금 더 상세히 설명하면, 알루미늄과 산소의 결합으로 만들어지는 알루미나는 도자기의 주원료인 고령토 의 주성분 중 하나이며, 고온에서 특정하게 만들어 지는 사파이어도 이의 범주에 속한다. 리튬이차전지 에서 세라믹이 어떻게 사용되고 있는지를 살펴보는 것은 매우 흥미진진하고 새로운 경험을 얻게 할 것 이다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2020년 5월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>