이번 시간에는 2편에서 간략히 설명을 드렸던 2차전지 기술전망에 대해서 소재 혁신에 따라 차세대 2차전지와 제조 기술이 어떤 방향으로 개발 될 것인 가 에 대해 말씀 드리겠습니다.
처음 오신 분들은 우선 1편 2차전지 기초용어 및 구성요소와 2편 2차전지의 종류 및 특징과 리튬이온배터리 부터 보시는 것을 추천합니다.
2차전지 기술 개발 과정
배터리 사업의 핵심은 주요 4개 소재(①양극재, ②음극재, ③전해질, ⑤분리막)를 설계(조합비율)/제조 하는 능력입니다. 2차전지의 역사를 보면 기본적으로 소재 개발에 따라 발전해 왔습니다. 앞으로의 2차 전지 기술 역시 ① 소재, ② 제조 혁신을 통해 발전될 것으로 예상됩니다.
소재
현재 핵심 4개 주요 소재(①양극재, ②음극재, ③전해질, ⑤분리막) 개선 또는 개발을 통해 기술의 한계를 뛰어넘기 위한 노력들이 계속 되고 있습니다.
양극재 분야
하이니켈 양극재 개발
전기차 2차전지에서 가장 중요한 것은 에너지 밀도와 가격입니다. 에너지 밀도는 리튬 이온을 많이 함유하는 소재의 비중을 늘려야 되고, 가격은 비싼 소재의 비율을 낮춰야 합니다.
따라서 NCM 양극재는 니켈, 코발트, 망간의 비중이 1:1:1 이었던 것을 리튬 이온 함유량을 결정 짓는 니켈의 함유량을 높히고, 반대로 가격이 비싼 코발트의 비중을 낮춰 에너지 밀도를 높히고 가격을 낮출 수 있는 하이니켈(High-Nickel) 양극재를 개발, 개선 중입니다.
NCM811 양극재가 바로 이것인데요. 니켈, 코발트, 망간의 비율이 8:1:1 비율로 구성된 하이니켈 양극재입니다.
현재 한국의 포스코퓨처엠 양극재 제조사는 니켈 비중을 90% 이상, 코발트 비중을 3% 이하로 낮추는 하이니켈 양극재를 개발 하고 있습니다.
리튬 황 배터리 개발
리튬황배터리는 양극 소재로는 황을, 음극 소재로는 리튬 금속을 사용하는 전지를 말합니다.
리튬이온배터리가 양극재로 가격이 비싼 코발트 등을 사용하는 반면, 리튬 황 배터리는 저렴한 황을 이용하는 것이 특징입니다.
리튬이온배터리에 비하여 황 양극과 리튬 음극의 밀도가 낮고, 무게당 용량이 크기 때문에 에너지밀도가 두 배(>500Wh/kg)까지 높아질 수 있습니다.(리튬이온배터리 대비)
즉, 낮은 가격으로 고용량 배터리를 구현할 수 있어 차세대 배터리로 거론되고 있는 것입니다.
리튬황을 이용한 배터리는 소형화/경령화가 가능하기 때문에 항공/드론용 경량 2차전지, 섬유/전자기기용 플렉서블 2차전지로 각광받고 있습니다.
하지만, 전기화학 반응 중 생성되는 리튬폴리설파이드(Lithium Polysulfides)는 전해액에 대한 높은 용해도로 용출현상(polysulfide shuttle)’이 나타나 충·방전이 거듭될수록 양극 활물질이 손실되는 문제로 ①수명이 짧고, 리튬 덴드라이트로 인해 ②위험하다는 단점이 있습니다. 해당 문제들 역시 해결을 위해 노력하고 있습니다.
출처 : 위키백과 출처 : https://inside.lgensol.com
음극재 분야
실리콘 음극재 개발
실리콘이 원자 1개당 저장할 수 있는 리튬이온의 수가 현재 사용중인 흑연에 비해 4배 이상 높습니다. 이는 실리콘의 배터리의 에너지 밀도가 흑연에 비해 10배 높다는 의미입니다.
이외에 충방전 속도도 빠르기에 충전 시간도 단축 할 수 있습니다.
하지만 실리콘 음극재는 가격이 높고, 충/방전이 반복되면 부피가 쉽게 팽창하는 단점을 갖고 있습니다.
현재 SK온 및 LG 에너지 솔루션의 경우 실리콘 비율을 5%에서 7%로 높이는 연구를 하고 있으며, 향후 10% 이상을 목표로 하고 있습니다.
출처 : 포스코퓨처엠
리튬금속전지
리튬 금속 배터리 기술의 핵심은 리튬 이온 배터리에서 음극을 구성했던 흑연을 리튬 금속으로 대체하는 것입니다.
흑연의 층상 구조는 충전 시 리튬이온을 흡수하여도 부피 팽창이 작아 긴 사이클 수명을 가지게 해주어 리튬 이온 배터리에서 음극재로 사용되었습니다.
이때 흑연은 탄소 원자 6개당 하나의 리튬 이온을 저장할 수 있고, 이를 토대로 음극에서 사용되는 흑연의 최대 리튬 저장량인 흑연의 이론용량을 계산하면 372mAh/g이 됩니다.
하지만 배터리의 음극을 리튬 금속으로 대체한다면 이론적으로 흑연의 10배가량인 3,860mAh/g 용량의 리튬을 저장할 수 있기 때문에 전지의 에너지 밀도가 크게 증가할 수 있습니다.
또한 흑연이 차지하는 물리적 공간은 리튬 이온을 보관하는 역할만 할 뿐 에너지를 저장하지도 않고 전류를 생성하지도 않아 불필요하지만, 리튬 금속이 차지하는 물리적 공간은 거의 모두 전류를 생성하는 원자로 채워질 수 있습니다.
그러므로 동일한 무게와 부피에 대하여 이론적으로 리튬 금속 음극은 흑연 음극에 비해 50% 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
더 빠르게 충전할 수 있으며, 더 오래가는 전기자동차의 개발을 위해서 리튬 이온 배터리를 대체할 배터리 연구의 필요성이 확실하며 그것으로 주목을 받는 차세대 배터리가 리튬 금속 배터리인 이유가 여기에 있습니다.
출처 : 공학으로 세상 따라잡기
하지만 리튬 금속 배터리는 불안정하다는 단점을 가지고 있습니다. 리튬 금속은 높은 전기화학적 반응성을 가지고 있어 리튬 이온을 전달하는 액체 전해액과 경계면을 형성할 경우 유기용매 또는 리튬염과 반응을 하게 됩니다. 이때 경계면에서 용해되지 않는 성분들이 모여서 다층적인 막을 형성합니다. 이렇게 경계면이 조성된 리튬-금속에 리튬이 접촉할 경우, 균일하지 않고 부분적으로 리튬이 쌓이게 됩니다. 더욱이 막이 부서지면서 마치 뾰족한 나뭇가지와 같은 형태로 잔해 결정이 자라나게 됩니다. 이렇게 자라난 결정은 리튬-금속 배터리의 충전∙방전 효율을 낮추고, 심각할 경우에는 분리막을 뚫고 양극과 닿아 전지의 발화 및 폭발을 야기할 수 있습니다.
출처 : 공학으로 세상 따라잡기
리튬 금속 배터리의 안정성 문제를 해결하기 위한 방안 중 하나로 액체 전해질 대신에 고체 전해질을 사용하여 발화의 위험을 없앤 전고체 배터리에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 최근 배터리 소재 기술을 연구하는 기업 퀀텀 스페이스에서 이러한 전고체형의 리튬-금속 배터리를 개발했다는 발표를 하였습니다. 이는 단층 배터리 셀 에서의 성과로, 차량에 적용하려면 수십 겹의 층이 들어찬 배터리를 생산해야 하기에 아직은 발전해야 할 부분이 많습니다. 하지만 리튬-금속 배터리 시대가 곧 도래할 것임을 꿈꾸게 합니다.
전해질 분야
전고체 배터리(분리막 X)
전기를 흐르게 하는 배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 액체가 아닌 고체로 된 차세대 2차전지(충전해서 반영구적으로 사용하는 전지)입니다.
현재 가장 많이 사용되는 2차전지인 리튬이온전지의 경우 액체 전해질로 에너지 효율이 좋지만, 수명이 상대적으로 짧고 전해질이 가연성 액체여서 고열에 폭발할 위험이 높습니다.
반면 전고체 배터리는 전해질이 고체이기 때문에 충격에 의한 누액 위험이 없고, 인화성 물질이 포함되지 않아 발화 가능성이 낮아 상대적으로 안전합니다. 분리막 역시 필요하지 않습니다.
또한 액체 전해질보다 에너지 밀도가 높으며 충전 시간도 리튬이온 배터리보다 짧습니다.
여기다 대용량이 구현이 가능해 완전 충전할 경우 전기차의 최대 주행거리를 비약적으로 늘릴 수 있습니다.
특히 전고체 배터리는 확장성이 높아 플렉서블(flexible) 배터리로 활용할 수 있어 리튬이온 배터리를 대체할 기술로 주목받고 있습니다. 그러나 고체 전해질의 경우 액체 전해질보다 전도성이 낮아 효율이 떨어진다는 문제가 있습니다. 또 2020년 5월 현재까지 전고체 배터리 양산에 성공한 기업은 없으며 배터리 규격 국제 표준화, 수명 예측 기술 개발 등이 필요해 상용화에는 시간이 걸릴 전망입니다.
현재까지 2차 전지 기술이 소재 혁신에 따라 기술 개발의 방향에 대해서 살펴 보았고, 정리를 하자면 아래 그림으로 정리됩니다.
제조
제조 기술 혁신을 통한 2차 전지 산업의 미래는 제어 기술 확보를 통해 안정성을 향상 시키는 방향으로 진행될 것으로 예상됩니다.
현재의 2차 전지는 화재 폭발 사고의 RISK를 갖고 있으며, 소재 개선을 위해 최대한 안정화 시키고, 제조 분야 중 지능형 제어 기술을 통해 발화 지연을 넘어 자가 진단 및 복구가 가능한 2차 전지 제조 기술을 개발 하고 있습니다.
21년에서 24년까지 산업부에서 밝힌 2차 전지 제조 기술 개발 로드맵을 보면 다음과 같습니다.
1단계: 발화 지연/확산방지를 위한 모듈 내 소화 패치 탑재
2단계: 내부 온도/가스 등 이상상황 감지
3단계: 자가 억제 및 자가 치유 기술 개발
결과적으로 2차 전지의 제조 분야는 폭발 화재를 제어하고, 궁극적으로 자가 복구까지 가능한 방향으로 발전하여 우리에게 안전한 2차 전지를 제공해줄 것으로 예상됩니다.
이번 시간에는 2차 전지 산업의 기술 전망을 현재 개발 방향을 토대로 여러분들께 설명해 드렸습니다.
다음 시간에는 작년 테슬라에서 저가형 모델에 적용된 LFP 배터리로 인하여 논쟁중인 NCM 배터리와의 비교 분석하여 여러분들에게 알기쉽게 전달 할 수 있도록 하겠습니다. 감사합니다.