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[애플경제 박문석 기자] 리튬이온전지의 문제점을 해소하기 위한 연구가 날로 가속화되고 있다. 전기자동차를 비롯해 스마트폰, 노트북 등 전자기기에 리튬이온전지는 필수다. 앞으로 전기자동차 시대가 본격화되고, 재생에너지가 화석에너지를 대체할 경우 더욱 그 쓰임새가 중요해질 전망이다. 그러나 이는 화재의 위험성은 물론, 현재의 수준을 뛰어넘는 에너지 밀도가 요구된다. 이에 과학자들은 리틈 이온전지를 대체할 만한 축전지 장치를 연구하고 있다.

기초과학연구원이나 한국전기연구원 등 여러 전문연구기관들이 이에 관한 심도있는 연구와 개발을 진행하고 있다. 그 중에서도 현재 가장 차세대 이차전지로 주목받고 있는 것은 리튬 공기 전지, 리튬 유황 전지, 전고체 전지 등이다.

■ 전고체 전지=이는 현재 국내에서도 개발 속도가 가장 빨라지고 있는 기술이다. 이는 애초 리튬 전지의 단점을 커버하기 위한 것이다. 리튬 전지는 배터리 양극과 음극 사이가 액상 전해질로 채워져있다. 그러나 차량의 움직임이 과도하거나 충격이 가해질 경우 액상 전해질이 급격히 유동하고 두 극 사이의 분리막이 찢어져 양극과 음극이 충돌하면서 자칫 화재가 발생할 소지도 크다. 전고체 배터리는 이런 단점을 없애줄 수 있는 대안 기술로 부각하며 관심을 끌고 있다. 즉 양극과 음극 사이가 액상이 아닌 고체 전해질로 채워져있어, 두 극이 충돌할 여지가 없고, 화재의 위험도 없다.

전고체 전지는 또 기존 리튬 전지와는 비교가 안 될 만큼 오랜 배터리 수명을 보장한다. 그로 인해 수 백 km를 배터리 충전없이 장거리 운행할 수 있게 하는 것이다. 그러나 전고체 전지는 개발과 생산이 쉽지 않다는게 문제다. 각국이 수 년 동안 완성된 제품을 개발하기 위해 애를 쓰고 있으나, 아직 뚜렷한 성과를 거두지 못하고 있다. 또한 고체 전해질 속 이온의 움직임이 둔해짐으로써 성능이 떨어질 가능성도 커서 이를 해결하는게 관건으로 지목되고 있다.

그런 가운데 최근 서울대공대는 강기석 재료공학부 교수 연구실과, 삼성전자 종합기술원, 미국 코닝사와 함께 이런 문제점을 해결하는데 성공해 관심을 끌었다. 강 교수 등에 따르면 음극으로 리튬 금속을 사용할 수 있게 함으로써 현재 사용 중인 리튬 이온 전지보다 한층 대용량의 전지를 만들어낼 수 있다. 특히 그동안 전지 작동 과정 중 고체전해질 입계면을 통해 성장해온 리튬 덴드라이트는 전고체전지의 수명을 낮추고 안전성을 약화시키는 등 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지적돼 왔다.

이에 연구진은 열역학 계산과 실험을 병행해 산화물 고체전해질 내부로의 리튬 덴드라이트 성장 원인이 전해질 조성에 기인한 리튬금속과의 반응임을 밝혀내는데 성공했다. 이를 바탕으로 전해질의 리튬 일부를 수소로 치환할 경우, 마침내 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다는 점을 발견한 것이다

한국전기연구원 등에 따르면 전고체 전지에서는 전해질로 고체 전해질을 사용한다. 고체 전해질로는 고분자계 재료, 산화물계 재료, 유화물계 재료가 있다. 이러한 전해질 중에서 현재 가장 주목받고 있는 것이 유화물계 고체 전해질이다. 유화물계 전해질은 산화물계에 비해 변형하기 쉬우며, 계면 형성이라는 점에서 유리하다. 이러한 고체 전해질을 사용하여 전고체 전지가 만들어지고 있다. 전고체 전지에서는 음극으로 흑연을 사용하는 리튬이온 전지와 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지가 연구되고 있다.

■ 리튬 공기 전지=이는 리튬 금속을 음극으로, 공기 중의 산소를 양극으로 사용하는 축전지이다. 양극에는 집전체만 사용되는 전지 구성을 이루고 있어 셀 무게당 에너지 밀도가 가장 크다. IRS글로벌이 소개한 원리에 따르면 음극은 리튬 금속이며, 리튬 금속과 전해액의 반응 및 리튬 금속의 덴드라이트 생성으로 인해 충전과 방전을 오가며 작동케할 수가 없다. 양극에서는 산소 환원 반응과 Li2O2의 산화 반응이 가역적으로 진행되어야 한다. 그래서 “반응을 보조하는 메디에이터를 첨가함으로써 반응 속도를 개선하려는 시도가 이루어지고 있다.”는 설명이다.

그러나 메디에이터의 문제는 음극과 메디에이터의 반응이다. 적절한 메디에이터를 음극과 조합해야 하는데, 이는 메디에이터의 산화ㆍ환원 반응에 의한 화학적인 내부 합선 현상을 일으킬 가능성이 있기 때문이다. 리튬 금속 음극과 산소 양극의 전기 화학 반응이 원활하게 진행되려면 전해액의 선택이 중요하다는 지적이다.

이는 또한 충전 시 산소가 발생한다는 것을 생각하면 ‘내산화성’도 고려해야 한다. 초기에는 비표면적이 큰 카본 블랙 등이 사용되었지만, 최근에는 전자 전도성이 더욱 높고 비표면적도 큰 나노 카본 재료가 사용되게 되었다. “이처럼 리튬 공기 전지의 연구에는 다양한 과제가 존재하며, 현재 그것을 해결하고 있는 중이다. 특히 전해액에 관한 과제는 해당 전지계를 실현하는 데 있어 가장 중요한 과제”라는 IRS글로벌의 지적이다.

■ 리튬 유황 전지=리튬 금속을 음극으로, 유황을 양극으로 사용하는 축전지를 장착하고 있다. 리튬 금속 측의 반응은 리튬 공기 전지와 같지만, 사용하는 전해액은 다르다. 현재로서는 리튬 금속 음극의 문제가 그 가역성이 낮다는 것과 리튬 금속 덴드라이트이 생성되는 점 등의 문제점은 리튬 공기 전지와 같다. 양극 특성을 중심으로 전해액을 선택하는데, 리튬 금속에 적합한 전해액은 아닌 것으로 판단되고 있다.

이는 또 양극으로 유황을 사용하는 경우의 가장 큰 문제, 즉 중간 생성물인 ‘다황화 리튬’이 전해액에 용출되는 문제점이 지적된다. 다황화 리튬은 전해액 안을 이동하다 음극과 접촉하면 자기 방전 반응을 일으켜 전지 용량을 저하시킨다. 따라서 다황화 리튬이 용해되지 않는 전해액을 개발해야 한다. 이를 위해 이온 액채계의 전해질이나 설폰 용매를 사용하는 전해액, 농후 전해액 등이 검토되고 있다. 이는 또 충전과 방전을 반복함으로써 전극의 매크로 구조가 파괴되어, 전지가 열화되는 현상이 벌어진다. 그래서 “에너지 밀도를 향상하려면 전극의 두께를 최대한 크게 만들어야 하는데, 이때 그 부피 팽창 또한 문제”라는 지적이다.

이처럼 리튬 유황 전지는 그 제작 과정에서 여러 가지 해결해야 할 문제가 있다. 또 리튬 유황 전지나 리튬 공기 전지 모두 리튬 금속 음극에 대한 문제가 남아 있다. 또한 셀의 충전과 방전의 안정성 확보도 문제다. 그래서 “리튬 금속 음극에 적합하면서도 양극 유황의 용해 현상을 억제할 수 있는 전해액이 개발되어야 하고, 셀의 부피 팽창을 고려하여 셀을 설계해야 한다.”는 결론이다.