포스트 코로나, 배터리 수요 증가 및 리튬기술 각광

친환경정책 투자, 배터리 연구 중요성 확대

에너지 변환 및 저장장치 산업 지속 필요

■ Post 코로나 대응 소재 관점에서의 기술의 중요성 및 전망

코로나-19의 여파는 리튬배터리 산업에도 영향을 미쳤다. 코로나-19 발생과 함께 이동형 의료 장비에서 배터리의 수요는 증가하였으나 가장 큰 시장 중의 하나인 전 세계 전기자동차 시장은 전년보다 규모가 상당히 축소된 상태이다.

다행스럽게도 2020년 연말을 지나며 점차 회복 추세를 보이고 있으나, 코로나-19로 인한 수요의 감소, 원재료 생산 감소로 인한 배터리 및 소재 산업의 급락한 계약물량 등을 고려할 때 시장 회복에 일정 시간 이상 소요될 것으로 예측된다.

포브스(Forbes)는 2020년 6월 기사를 통해 이러한 시장 상황에도 불구하고 에너지 분야에서의 R&D에 대한 투자는 확대되고 있으며, 특히 리튬 관련 기술들에 집중되고 있다고 보고한 바 있다. 이러한 예측의 배경은 정부의 장기적인 친환경 정책 및 투자, 배터리 연구의 중요성에 대한 인식 등이 앞으로 확대될 것으로 예상되기 때문이다.

또, 로봇 기술과 4차 산업기술과 같은 혁신적인 기술들은 지속적으로 에너지 변환 및 저장 장치 산업의 추진력으로 작용할 것이어서 차세대 배터리로 넘어가는 소재 기술 개발과 전문 인력의 양성은 Post 코로나의 산업적, 사회적으로 파급효과가 클 것으로 예측된다.

현재 코로나-19로 인한 배터리 산업의 축소는 단지 일시적인 상황으로 판단되며, 현시점에 차세대 배터리 소재의 기술 개발을 오히려 가속화해야 Post 코로나 시대에 배터리 산업의 주도권을 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

■ 연구개발 동향

국내 리튬배터리는 소수의 대학 연구실과 국책연구소에서 진행되기 시작하였고, 이때 일본에서는 이미 상업화가 시작되어 연구개발의 수준과 양적인 면에서 상당한 차이가 있었다.

이후, LG화학과 삼성SDI가 상업화를 위한 연구개발을 진행하고 대학과 국책연구소의 연구 그룹이 증가하면서 현재 리튬배터리 제조 분야에서는 기술을 선도하고 있다.

한국, 일본, 중국 3국이 배터리 산업 주도권을 확보하면서 미국과 유럽은 소재 기술이 핵심인 차세대 배터리의 연구를 집중적으로 지원하고 있으며, 신규 차세대 배터리 시스템, 고도 분석기술, 그리고 소재 기술은 오히려 앞서고 있는 실정이다. 리튬금속 전지, 리튬-황 전지, 전고체 전지에 대한 소재기술 국내외 연구동향을 간략히 아래에 기술하였다.

■ 리튬금속 전지 재료

1) 국내 동향

현재 리튬금속 전지는 리튬금속 전극 ‘수지상 리튬’ 억제를 위한 소재 연구가 주도하는 양상이며, 리튬금속 소재 자체뿐만 아니라 보호층 코팅소재, 표면 피막 형성 기능성 첨가제 소재 연구도 진행되고 있다.

한양대학교, KAIST에서 ‘수지상 리튬’ 억제를 위한 리튬 표면상 ‘Composite protective layer’를 도입하여 물리적으로 리튬 수지상 형성을 억제하고, 표면의 리튬염 분해도 억제하는 연구결과를 발표하였다.

한밭대학교와 DGIST 공동 연구팀은 2015년 세계 최초로 리튬금속에 ‘표면 패턴’ 도입으로 리튬 표면 전류 밀도를 균일화하여 보호층 도입 외에 ‘수지상 리튬’ 성장을 억제하는 연구결과를 보고하였다.

이외에도 많은 국내 연구팀이 차세대 리튬금속 전지 연구를 진행하고 있으며, 국제적인 경쟁력을 유지하고자 노력 중이다. 국내 기업 중 현대자동차와 LG화학(2020년 12월 LG화학 배터리 사업부문은 LG에너지솔루션으로 분사하였다.

본문에서는 작성시점을 고려해 LG화학으로 기술한다.)은 상용화에 초점을 맞추어 국내외 주요 연구소와 기업체와의 공동연구를 통해 20㎛ 두께의 리튬금속 음극의 구현을 위한 연구를 진행하고 있다.

2015년 이후 소형 공동 연구과제가 진행되다가, 미국의 ‘Battery 500’ 프로젝트를 벤치마킹하여 2018년 7월부터 총 55개월 동안 243억 원이 투자된 대형 프로젝트인 ‘기후변화대응기술개발사업-전기자동차용 차세대 리튬금속 이차전지 핵심원천기술 개발’이 진행 중이다.

2) 해외 동향

전 세계적으로 리튬금속 전지 관련 연구가 급증하고 있다. 특히 1970년대 최초로 리튬금속을 음극으로 사용한 전지가 학계에 보고된 이후, 최근 고용량 차세대 전지 개발의 필요성 증대로 인해 2015년 이후 급격히 관련 연구가 증가 추세를 보인다. 국제적으로는 보호층 코팅 이외에 전해질, 바인더, 개질된 분리막 등 리튬금속 음극 이외에 소재의 개발 연구 등 다양한 연구가 진행되고 있다.

가. 미국

미국 에너지부로부터 2016년부터 5년 동안 최대 1,000만 달러 지원을 받아 산업, 대학 및 연구소가 함께 하는 ‘Battery 500’연구 컨소시엄이 진행 중이다. 컨소시엄을 통해 중량, 부피 및 비용을 크게 절감하는 ‘리튬금속 전지’연구를 진행하고 있고 세계적으로 선도적인 역할을 하고 있다.

특히, PNNL 연구팀은 국소 고농도 전해질(localized high-concentration electrolyte), 이중염 전해질(dual-salt electrolyte) 연구 등 신규 액체 전해질 시스템 도입을 통해 리튬금속 표면 안정성을 개선하고 있으며 유수의 연구 성과들을 발표하고 있다.

나. 일본

최근 일본 도쿄 농공 대학교(Tokyo University of Agriculture and Technology)의 연구팀은 glyme 기반의 전해질 용매와 리튬 염, 첨가제 조합의 구성에 따른 리튬금속 전지 연구를 발표하였다.

일본의 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)는 2018년 6월 전기자동차용 배터리의 높은 에너지 밀도와 안전성 달성을 위해 고체 리튬 이온 배터리 프로젝트의 2단계를 시작했다.

자동차, 배터리, 재료 분야의 토요타, 닛산, 파나소닉 등 23개 관련 업체와 15개 대학 및 공공연구소가 참여하는 100억 엔 규모의 프로젝트이다. 고체 리튬 이온의 대량 생산에 병목 현상이 있는 기술 해결을 목표로 하며, 리튬금속의 안정화에 대한 연구는 상대적으로 미비한 실정이다.

다. 유럽

유럽의 경우 성장하는 배터리 시장에 맞추어 BATTERY 2030+전략과 함께 연구개발 및 생산 역량 증대를 위한 투자를 늘이고 있다. 전고체 전지, 나트륨 이온(Sodium ion), 산화-환원 흐름(Redox flow) 배터리와 같은 리튬 이외의 다른 화학적 배터리 연구에 대한 방법론에 집중 개발 진행 중이다.

라. 중국

중국은 미국 다음으로 리튬금속 전지 연구가 활발한 국가이다. 중국 출신의 연구진들이 미국의 ‘Battery 500’을 주도하면서 중국 연구진과의 공동연구가 활발하다. 급증하는 연구 인원과 연구지원은 급격히 증가한 연구결과 발표로 그 성과가 나타나고 있다.

중국의 경우 칭화대학교 연구팀이 가장 선도적으로 리튬금속 전지 연구를 진행하고 있다. 특히, 카본(carbon) 소재를 사용하여 리튬 전착(deposition)시 균일화된 리튬 이온 농도 구배를 형성하기 위한 scaffold 구조를 제조하여 이를 통해 ‘수지상 리튬’ 형성을 억제하려는 시도를 진행하고 있으며, 이외에도 안정한 표면을 만들기 위해 다양한 연구를 진행 중이다.

중국의 경우 창의적인 새로운 연구 시도 측면에서는 미국보다 뒤처지는 편이지만 리튬자원 및 생산 단가의 경쟁력을 통해 시장장악력을 높이고 있으며, 이에 따른 정부 투자가 뒷받침 되어 경쟁력을 갖추고 있다.

마. 캐나다

캐나다 댈하우지대학교(Dalhousie University)의 연구팀에서는 미국 전기자동차 최대 수요 기업인 테슬라와의 협력연구로 기존 액체 전해질 시스템 개질을 통해 파우치형 리튬금속 전지 연구를 진행하고 있고 ‘Anode-free’리튬금속 전지 성능을 크게 향상시켜 그 연구결과를 발표하였다.

■리튬-황 전지 재료

리튬-황 전지의 주요 연구개발 동향은 황화리튬(리튬폴리설파이드)의 높은 용해성으로 인한 낮은 수명특성 개선, 황의 낮은 전기전도도로 인한 출력 특성 저하 개선, 방전시의 급격한 팽창과 충전시의 수축으로 인한 급격한 부피 변화 해결, 그리고 리튬금속 전지와 공통적으로 리튬금속 음극의 안전성 향상 연구가 핵심이다.

특히, 방전 시 연속적인 환원 반응을 통해 고리구조의 S8이 선형구조인 리튬설파이드의 단계를 거쳐 최종적으로 Li2S가 되고 충전 시에는 역순으로 산화반응을 거치는 이른바 “셔틀 메커니즘”(S8↔Li2S8↔Li2Sn↔Li2S2↔Li2S)에서 폴리설파이드가 지속적으로 녹아나와 양극 소재의 양이 감소하고 녹아나온 폴리설파이드는 음극으로 이동해 음극과 직접 반응하는 것은 상용화의 가장 큰 걸림돌이며 연구개발이 이 부분에 집중되어 있다.

▲ 연도별 리튬금속 전지 기반 논문 발표 수

▲ 리튬금속 전지 연구 전략

▲ 리튬 황 전지 연구 전략