Special 그린뉴딜/탄소중립 실현을 위한 세라믹소재 기술개발 동향(2)

차세대 배터리 소재 최신 기술 동향-황화물계 고체전해질 소재를 중심으로

하윤철_한국전기연구원 책임연구원

I. 서론

2016년 발효된 파리협정, 2019년 9월 개최된 UN 기후정상회의 이후 121개 국가가 기후변화 대응을 위해 2050 탄소중립을 목표로 한 기후목표 상향동맹에 가입하였고, 이에 대응하기 위해 우리 정부도 지난 2020년 12월 「2050 탄소중립」 추진전략을 발표하여 3대 정책 방향 및 10대 과제를 발표한 바 있다[1]. 이 추진전략의 3대 정책으로 경제구조의 저탄소화, 신 유망 저탄소 산업 생태계 조성 및 탄소중립 사회로의 공정 전환 정책을 제시하고 있으며, 이를 달성하기 위한 핵심과제 중에 재생 에너지로의 에너지 전환 가속화, 미래 모빌리티로의 전환, 신 유망 산업 육성 등 많은 과제들이 배터리 기술의 발전과 연계되어 있음을 알 수 있다. 특히, 1991년 일본 SONY사에서 상용화에 성공한 리튬이온전지 기술은 최근 전기자동차(EV) 및 에너지저장장치(ESS)에까지 폭넓게 활용되면서, 바야흐로 탄소중립 목표 달성을 위한 핵심 기술이 되고 있다. 그림 1은 다양한 상용 이차전지 또는 커패시터의 에너지밀도와 출력밀도를 나타낸 것이다. 리튬이온전지는 다른 이차전지와 비교하여 월등히 높은 에너지밀도와 출력밀도를 보이고 있음을 알 수 있다.

그림 1. 이차전지별 에너지밀도 및 출력밀도 비교(Ragone Plot)[2]

  이러한 리튬이온전지를 개발한 초기 연구자들인 J.B. Goodenough 교수(현 University of Texas at Austin), M.S. Whittingham 교수(현 Binghamton University), A. Yoshino 박사(Asahi Kasei)가 2019년 노벨화학상을 공동 수상하였는데(그림 2), 이들은 리튬이온전지가 안정적으로 작동될 수 있도록 해 준 핵심 소재인 층간 삽입/탈리형(intercalation) 소재를 개발한 공통점이 있다. 1970년대 석유파동 이후 Exxon 사에서는 장기적으로 화석연료를 사용하지 않는 전기자동차용 배터리 개발에 투자하였고 당시 Whttingham 박사팀이 개발한 초기 배터리의 구성은 그림 2(a)에서와 같이 리튬금속을 음극(-), 티타늄 황화물(TiS2)을 양극(+)으로 한 2V급 이차전지였다. Exxon이 사업을 중단한 이후에도 이러한 초기 구조는 1980년대 후반까지 전이금속 칼코제나이드(TiS2, MoS2, MnO2, NbSe3) 세라믹스를 중심으로 한 다양한 양극 소재와 함께 많은 기업에서 연구가 되어 왔으나, 충·방전 시 리튬금속의 수지상(dendrite) 성장에 의한 내부단락(internal short-circuit) 문제로 상용화에는 실패하였다.

그림 2. 리튬이온전지 개발로 화석에너지 시대의 종식 가능성을 열어준 노벨화학상(2019) 수상자들 및 이들이 개발한 핵심 소재

  한편, 1980년 Goodenough 교수는 층상 구조의 리튬 전이금속 산화물인 LiCoO2 소재를 개발하여, 4V급 고에너지밀도 배터리의 가능성을 열었으며(그림 2(b)), 1985년 A. Yoshino 박사가 탄소의 층상 구조에 리튬이온의 삽입과 탈리가 가능함을 보이면서(그림 2(c)) 현재 상용 리튬이온전지의 기본 구조가 탄생하게 되었다. 1991년 상용 리튬이온전지의 출시 이후 30여 년이 지난 현재까지도 리튬이온전지는 그림 3과 같이 ① 리튬금속을 사용하지 않는 탄소계 음극(천연흑연, 인조흑연, 흑연-실리콘 복합체 등), ② 고전압이 가능한 리튬 전이금속 산화물 또는 인산화물 양극(LiCoO2, LiMnO4, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, LiNixMnyCo1-x-yO2, LiFePO4 등), ③ 이들에 리튬이온을 전달하는 전해액(LiPF6를 carbonate계 유기용매에 녹이고 각종 기능성 첨가제를 섞은 유기 용액) 및 ④ 음극판(음극활물질, 도전재, 바인더, 구리 집전체 포함)과 양극판(양극활물질, 도전재, 바인더, 알루미늄 집전체 포함)의 전기적 단락 방지를 위한 분리막(폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌)의 4대 핵심 소재로 구성되어 있다. 이 외에도 전기적 회로 구성을 위한 금속 리드탭, 외부 공기로부터의 차폐를 위한 파우치 또는 캔 등이 필요하다. 따라서, 리튬이온전지 기술은 금속, 세라믹, 고분자, 복합소재 등 고체 소재, 전해액과 같은 액체 소재 및 이들 고체 소재와 전해액 사이의 복잡한 계면반응에 이르기까지 다양한 소재 기술이 적용되는 다학제 기술이라 할 수 있다.

그림 3. 상용 리튬이온전지의 기본 구조[3]

  이러한 리튬이온전지에 대한 산업적 수요가 커지면서, 현재의 리튬이온전지는 성능, 안전성, 가격이라는 서로 모순되는 세 가지 특성을 동시에 만족해야 하는 기술적 도전에 직면해 있다. 단위 무게 또는 단위 부피당 에너지로 대표되는 리튬이온전지의 성능은 지난 30여 년간 무게당 밀도(비에너지, Wh/kg)는 약 2배, 부피당 밀도(에너지밀도, Wh/L)는 약 4배 수준으로 향상되었으나(그림 4), 흑연계 음극과 전이금속 산화물 양극으로 특징지을 수 있는 현재 구조로서는 그 이론적 한계에 다다르고 있으며, 배터리 가격은 지난 10년간 10분의 1 수준으로 낮아진 상황이다.

그림 4. 리튬이온전지의 부피당/무게당 에너지밀도 변화 추이[4]

  이러한 높은 에너지밀도와 저가격화는 직·간접적으로 배터리의 안전성을 저해하는 요소가 될 수 있는데, 안전성 이슈가 미치는 산업적 영향은 지난 2006년 Sony 노트북, 2016년 삼성 휴대폰 등 소형 배터리의 내부단락으로 인한 대규모 리콜 사건은 차치하더라도 최근 5년간 국내에서 발생한 30건의 대형 ESS 화재 사고를 비롯하여 대규모 리콜이 발생한 전기자동차용 배터리 사건에서 보는 바와 같이 막대한 손실과 함께 산업의 성장과 도태를 좌지우지하는 요소가 될 수 있다. 특히, 세계 최고 수준의 기술 경쟁력을 갖춘 국내 이차전지 산업 생태계가 2050년 탄소중립 목표 달성에 크게 기여하기 위해서는 가격, 출력, 수명 등 다른 특성들은 동일하게 유지하더라도 높은 에너지밀도와 안전성을 동시에 만족할 수 있는 차세대 배터리의 상용화를 조속히 이루어 내어야 할 것이다.
  리튬이온전지의 화재는 과충전, 과전류, 고온, 내부단락, 외부단락, 압착, 관통 등 다양한 외적 요인에 의해 유발될 수 있으나, 근본적으로는 불에 잘 타는 유기 액체전해질을 함유하고 있기 때문이므로 이를 고체전해질로 대체하는 것은 리튬이온전지의 안전성 이슈를 근원적으로 해소할 수 있는 핵심 소재기술이다. 고체전해질 중 산업적으로 주목받고 있는 소재는 크게 황화물계와 산화물계로 대표되는 세라믹 고체전해질과 고분자 고체전해질로 나눌 수 있는데, 표 1에서 이들 세 가지 고체전해질의 특성들을 비교하였다.

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