리튬폴리머·리튬황·리튬에어·나트륨이온 주목 … 저장 용량과 수명, 소형화가 관건

#1. 한국과학기술원(KAIST) EEWS 대학원의 강정구·김용훈 교수 공동연구팀은 지난 6월 초고속 충전이 가능한 리튬이온 전지 음극 소재를 개발했다. 1분이면 130mAh/g의 용량을 완전히 충전한다. 15분이면 지금 사용 중인 대부분의 스마트폰을 충전할 수 있다. 내구성도 뛰어나다. 충·방전 1만 번을 진행해도 용량 손실이 없다. 스마트폰을 하루에 두 번 충전해도 10년 간 무리 없이 사용할 수 있다는 말이다. 강정구 교수는 “재료의 물성을 극대화한 설계 덕에 기존 2차전지의 문제점을 해결하고, 성능을 높일 수 있었다”고 말했다.

#2. 리튬이온 전지의 권위자 옛밍 치앙 MIT 재료과학 교수는 24M이라는 벤처기업을 설립했다. 이곳에선 신소재를 액체 전해질에 섞어넣은 고효율의 전극을 개발한다. 새로운 방식을 사용해 24M은 같은 크기의 리튬이온 전지에 비해 15~25% 많은 용량을 가진 제품을 개발했다. 현재 리튬이온 전지의 시장 가격은 kW당 200달러~250달러 수준이다. 제조법을 단순화한 덕에 24M은 100달러에 제품을 공급한다. 전기자동차가 내연기관차에 우위를 가질 수 있는 가격이다. 치앙 교수는 2017년 완공을 목표로 MIT 인근에 공장을 건설 중이다.

배터리의 아버지는 이탈리아의 과학자 알레산드로 볼타다. 1800년 구리와 아연을 이용해 세계 최초의 전기 저장 장치를 만들었다. 전기의 단위인 볼트도 그의 이름에서 유래했다. 배터리는 전기를 활용하는 가장 효과적인 장치로 자리 잡았다. 과학자와 발명가들은 새로운 소재를 활용하며 배터리를 꾸준히 개발해왔다.

지금 우리가 사용하는 리튬이온 전지는 지난 216년 간 나온 배터리 중 가장 효율적인 모형으로 꼽힌다. 작고 가벼운데다 전압도 더 높다. 리튬이온 전지의 전압은 같은 크기 일반전지의 두 배 수준이다. 재료 덕이 크다. 리튬은 다른 금속 이온에 비해 작고 가벼워 에너지 밀도가 높다. 그 덕에 일상에서 떼어 놓을 수 없는 도구로 자리한 스마트폰과 노트북 배터리로 굳어졌다. 실제로 노트북과 스마트폰이 작고 얇아진 배경은 배터리가 니켈카드뮴 전지에서 리튬이온 전지로 바뀐 데에 있다. 지금 사용하는 리튬이온 전지의 모델은 2004년 옛밍 치앙 MIT 교수가 개발했다. 기존 리튬이온 전지의 전극에 인산철 입자를 도핑 해 전기 전도율을 높이며 충전 가능한 2차전지가 표준으로 자리 잡았다.

물론 단점도 있다. 사용한 지 1년이 넘으면 효율이 급격히 떨어진다. 온도 변화가 심하면 쉽게 방전된다. 충격에도 약하다. 갑작스런 압력에 전지가 변형되면 내부 온도가 상승해 폭발할 수 있다. 여기에 급격한 수요 증가로 리튬 가격이 가파르게 오르고 있다. 시장조사기관인 아시안메탈은 지난해 ㎏당 9달러였던 정제된 리튬 가격이 올해 5월 26달러로 올랐다고 집계했다. 매장량은 충분하지만 일부 국가에 집중돼 있는 점도 리튬이 안고 있는 문제다. 미국지질조사소(USGS)에 따르면 세계 리튬 가운데 절반이 칠레에 있고 나머지는 중국·아르헨티나·호주 등에 있다.

배터리는 정보기술(IT)산업의 핵심 수단으로 몸값이 오르고 있다. 에너지 신산업 주도권의 향배를 가를 핵심 변수로 꼽힌다. 각국 정부와 글로벌 기업 사이에서 리튬을 대체할 차세대 배터리 개발이 활기를 띠고 있는 배경이다. 차세대 배터리 개발의 핵심은 저장 용량과 수명, 소형화다. 배터리 업계 관계자는 “아직 리튬이온 전지를 대신할 차세대 표준은 눈에 띄지 않지만 주요 배터기 업체들은 리튬폴리머·리튬황·리튬에어·나트륨 이온 등을 두루 연구하며 상용화 가능성을 탐색하고 있다”고 설명했다. 박진수 LG화학 부회장은 “학계에서 포스트 리튬이온 전지로 지목하고 있는 리튬에어·리튬황 전지 등 모든 형태의 혁신 전지를 연구 중”이라며 “보급형 전기차가 한 번 충전하면 갈 수 있는 거리도 기존 150~200㎞에서 이르면 2019년부터 600㎞ 이상으로 늘릴 수 있을 것”이라고 말했다. 한국 정부도 리튬이온보다 에너지 효율이 높은 리튬황·리튬에어 전지 연구개발(R&D)을 적극 지원하고 있다.

최근 주목도가 높아진 리튬이온 전지의 대안은 전고체를 사용하는 방식의 리튬 전지다. 중국 기업 ATL이 생산·공급해온 리튬폴리머 전지가 대표적인 제품이다. 고체를 리튬이온의 이동 경로인 전해질로 사용하면 배터리에 구멍이 뚫리거나 구겨져도 화재 등의 위험 없이 정상적인 작동이 가능하다. 액체 전해질을 사용하지 않는 덕에 두께를 1mm로 줄일 수 있어 고용량 확보에도 유리하다. 리튬폴리머 전지 개발에 가장 적극적인 움직임을 보이는 기업은 삼성전자다. 갤럭시 노트7 발화 문제로 몸살을 앓았지만 이미 충분한 기술력을 확보한 상태다. 삼성종합기술원은 지난해 미국 MIT와 손잡고 반영구적으로 충전할 수 있는 전고체 배터리를 공개했다. 삼성SDI도 2013년 전고체 배터리를 공개하며 상용화를 준비 중이다. 업계에선 삼성SDI가 이르면 오는 2018년께 리튬폴리머 전지 상용화에 돌입할 것으로 예상하고 있다. LG화학을 포함해 SK이노베이션·코캄 등도 전고체 배터리를 연구 중이다. 해외에서는 구글·애플이 전고체 배터리 투자를 늘리는 중이다. 업계 관계자는 “안전이 화두로 떠오른 이상 차세대 삼성 스마트폰엔 리튬폴리머전지가 사용될 가능성이 크다”고 전망했다. 차세대 배터리 군에선 양극 소재로 황, 음극 소재로 리튬을 이용하는 리튬황 전지도 유력한 대안 중 하나다. 황은 전력 효율이 좋은 소재다. 여기에 자원이 풍부하다. 제조 방법도 간단해 생산 단가도 낮은 편이다. 아직 상용화하지 못한 이유는 낮은 내구성에 있다. 충전과 방전을 거듭할수록 성능이 급격히 떨어진다. 황이 유기 전해액에 녹아내려 사용할수록 저장 용량이 줄어드는 문제점도 있다. 글로벌 연구기관과 기업들이 아직 리튬황 전지를 내놓지 못한 이유다. 지난해 한국에선 리툼황 관련 의미있는 연구 결과가 하나 나왔다. 포스텍 화학과 박문정 교수 연구팀은 기존 리튬이온 전지에 비해 용량은 4배, 가격은 5분의 1, 충전 시간은 10분으로 줄인 고성능 리튬황 전지 제작 기술을 발표했다. 박 교수팀이 개발한 전지는 차세대 2차전지의 가장 큰 문제점 중 하나인 충·방전 때의 용량 감소 문제를 해결했다. 아직 풀어야 할 문제도 있다. 충·방전을 거듭할수록 떨어지는 성능이다. 현재 기술로는 충·방전 50회가 한계다. 김도경 KAIST 신소재공학과 교수가 개발한 리튬황 전지가 300회 충·방전이 가능한 수준이다. 업계에서는 이런 문제가 해결돼 리튬황 전지가 상용화될 시기를 향후 5년 이내로 내다보고 있다. 리튬에어 전지도 꾸준히 연구 중인 차세대 배터리 모델이다. 높은 출력과 저렴한 가격이 강점이다. 양극에 대기 중의 산소를 활물질로 사용하는 방식이다. 다공질(작은 구멍이 많이 있는 물질) 탄소, 금속 리튬을 각각 양극과 음극으로 사용, 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동 시 산소와 반응할 때 생기는 화학반응을 전기 에너지로 환원한다. 리튬이온 배터리 대비 에너지 밀도가 8배 이상 높다. 업계에서는 산소가 자연계에서 무한히 얻을 수 있는 자원인데다 리튬에어 배터리의 에너지 밀도 수준이 가솔린과 유사한 특징을 가지고 있어 미래 전기자동차용 배터리로 양산화를 추진 중이다.

글로벌 기업 가운데엔 IBM이 적극적으로 움직이고 있다. 미국 뉴욕 왓슨 연구소와 캘리포니아 알마덴 연구소에서 2009년부터 리튬에어 기술 개발 연구를 진행해왔으며 현지 대학 가운데 MIT와 스탠퍼드대 등도 연구개발에 참여하고 있다. 리튬에어 전지 기술 개발과 제품 상용화를 위해 글로벌 컨소시엄을 추진하고 나섰다. 한국 기업 가운데에선 포스코화학과 현대차그룹, LG화학과 삼성종합기술원, 중견기업인 일진전기와 솔브레인 등이 관심을 보이고 있다. IBM에서 한국 사업을 담당하는 신창호 지식재산권담당 본부장은 “차세대 전지를 놓고 글로벌 기업들과 경쟁 중인 한국 기업들이 기술 개발에 참여할 경우 시장 선점을 위한 유리한 고지를 차지할 수 있을 것”이라고 주장했다.

이런 가운데 학계는 바닷물에서 거의 무한정 얻을 수 있는 나트륨(Na) 원소를 이용한 나트륨이온 배터리에 대한 연구도 진행하고 있다. 한국에선 정윤석 울산과학기술대(UNIST) 교수의 연구가 주목받았다. 정 교수 연구팀은 고성능 나트륨이온 전지 소재를 개발해 권위 있는 응용화학 학술지인 ‘앙게반테케미’에 실리기도 했다. 궁극의 배터리로 꼽히는 수소연료 전지 연구도 한창이다. 수소연료 전지는 수소와 산소 사이에서 전기를 만드는 반응을 이용한다. 수소연료 전지는 자동차산업에서주목하는 기술이다. 주요 자동차 메이커에선 수소차 개발이 한창이다. 포드는 독일 메르세데스 벤츠와 수소연료전지차 파워트레인 개발을 진행 중이다. BMW는 자동차 부품 업체 다나(Dana)와 손잡고 수소연료 전지 개발에 나섰다. 닛산자동차는 지난 8월에 수소차의 프로토타입 ‘e-Bio FCV’를 발표했다. 닛산은 2020년을 목표로 수소전지차 신모델 출시에 나섰다. 현대차도 수소전지 차량 개발을 마친 상태다.독일·네덜란드 등은 내연기관 차량 인허가를 줄여갈 방침이고, 캘리포니아 등 미국 내 10개 주는 2025년까지 신차 판매의 16%를 무공해 자동차(ZEV)로 규정했다.

리튬이온 전지 모양은 반듯한 직사각형이 대부분이다. 원형이나 오각형도 가능하지만 효율이 크게 낮아진다. 안경이나 손목시계처럼 생긴 웨어러블 기기를 자주 충전해야 하는 이유다. 리툼이온 전지를 작게 만들어서 넣다 보니 전기 용량이 줄어들면서 불과 몇 시간 밖에 쓸 수 없었다. 하지만 최근 플렉시블 배터리 관련 개발 연구 결과물이 가 속속 나오고 있다. 다양한 모양은 물론 휘거나 구부릴 수 있는 제품을 볼 수 있는 날이 멀지 않았다. 플렉시블 배터리 원리는 액체 전해질을 사용하지 않는 것이 핵심이다. 전지는 보통 양극, 음극, 분리막, 액체 전해질으로 이뤄지는데 분리막과 액체 전해질을 대신해 아주 얇은 종이 같은 고체 전해질을 사용한다. 시장조사업체 마켓리서치에 따르면 플렉서블 배터리 시장은 2015년 5089만 달러에서 매년 53.68%대의 성장세를 이어가 오는 2020년경에는 6억1786만 달러에 이를 전망이다. 배터리 시장 평균 성장률을 10배 이상 웃도는 셈이다. 시장은 LG화학, 삼성SDI 등 모바일용 배터리 시장에서 선두권을 형성하고 있는 기업이 주도할 것이라는 분석이다.

플렉서블 배터리 시장을 선점하기 위한 기업 간 경쟁에도 속도가 붙었다. LG화학과 삼성SDI는 연내 플렉서블 배터리를 상용화하기 위해 연구개발에 박차를 가하고 있다. LG화학은 연말이면 플렉서블 배터리의 일종인 케이블형 배터리를 시장에 내놓을 예정이다. 양극을 니켈과 주석의 합금으로 코팅한 구리 선을 새끼줄처럼 꼬아서 만든 케이블형 배터리다. 이미 시제품을 완성했고 LG화학 연구개발 부서에선 제품을 검사 중이다. LG화학은 2013년 기존 사각형 형태를 벗어나 쌓고, 휘고, 감을 수 있는 스텝드 배터리(Stepped Battery)와 커브드 배터리(Curved Battery) 양산에 성공했다.

삼성SDI도 수원 에너지연구소에서 차세대 플렉서블 배터리 개발을 진행 중이다. 2017년 상반기 제품 개발 완료 후 상용화를 목표로 하고 있다. 삼성SDI는 섬유처럼 자유자재로 휠 수 있는 스트라이프형 배터리를 비롯해 5만번 이상의 굽힘 테스트를 견디는 밴드형 배터리 등을 개발해왔다. 삼성SDI는 차기 폴더블 스마트폰에 적용할 플렉시블 배터리 기술도 확보했다. V-벤딩 기술을 적용해 고밀도 초소형 커브드 배터리는 이미 삼성전자 스마트밴드인 기어핏에 공급 중이다. 웨어러블 기기의 특징상 이리저리 구부려야 할 때가 있다. 여기에 적합한 플렉서블 배터리 개발이 궁극적인 목표다.

글로벌 업체들도 기술 개발을 진행 중이다. 노키아는 2014년에 두루마리 휴지처럼 말 수 있는 배터리 특허를 출원했다. 애플도 2015년 자유롭게 구부릴 수 있는 배터리 특허를 출원했다. 이 밖에 ST마이크로·로켓일렉트릭·페이퍼배터리 등도 관련 기술을 개발 중이다. 배터리 시장조사업체인 SNE리서치 관계자는 “플렉서블 배터리와 관련된 여러 개발 연구 성과가 계속 발표되고 있으며, 상용화 가능성도 점차 커지고 있다”고 말했다.

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