차세대 이차전지, 미래 산업 핵심 역할 주목

이차전지 성능 고도화, 4대 핵심소재 개발 선행돼야

高용량 양·음극 소재 개발, 전해질 전압 안정성 향상 必

<4> 차세대 이차전지 소재기술

1. 기술의 개요

1.1 기술의 정의 및 분류

전지란 화학에너지를 전기에너지로 변환해 사용할 수 있는 장치를 말한다. 이 중 이러한 변환을 한 번 진행할 수 있어 한 번 쓰고 버리는 전지를 일차전지라 하며, 외부의 전기에너지를 이용해 화학에너지 형태로 다시 충전해 여러 번 사용할 수 있는 전지를 이차전지라 한다.

일차전지와 이차전지는 특성에 따라 다양한 응용처에 사용되는데, 최근 전기자동차용, 전력저장용 등 중대형 전지로서 관심을 받는 것은 이차전지이다. 다양한 이차전지 가운데 가장 우수하고 보편적인 이차전지는 리튬이온전지이며, 1990년대 처음 개발된 납축전지를 시작으로 니켈수소전지, 니켈카드뮴전지를 거쳐 진화했다.

특히 원가 절감 및 작은 크기와 가벼운 무게에 중점을 준 소형 원통형 전지가 가장 빠르게 발전했고, 이를 활용한 소형 가전기기의 성장과 함께 최근 30년간 이차전지 시장의 대부분을 장악했다.

하지만 온실가스로 인한 지구 온난화 및 이상기후가 심해지면서, 세계 각 정부는 ESG(Environmental, Social, Governance) 정책을 앞세워 탄소중립을 위한 움직임을 보인다.

이와 함께 전기차 및 재생에너지의 저장 수단으로서 대형전지 수요가 급증하면서 기존 리튬이온전지의 안정성과 가격, 에너지밀도, 출력과 관련된 한계점이 명확하게 나타났다.

▲ <그림 1> 이차전지의 응용처별 요구 특성(자료 : 삼성SDI 자료 재구성)

이를 해결하고자 기존 리튬이온전지를 각 응용처에 맞게 고출력, 고에너지밀도, 저비용의 방향으로 연구개발하고 있다.

이차전지의 현재 응용처는 크게 ‘소형모바일IT용’, ‘전기자동차용’, ‘전력저장용’으로 구분할 수 있다.

이들은 각각의 후보 시스템으로 전기자동차용으로는 △전고체전지 △금속공기전지 △리튬황전지 등이 있으며 , 전력저장용으로는 △레독스흐름전지 △고온형나트륨전지 △상온형나트륨전지 △다가이온전지 등이 있다.

소형전지로는 상기 시스템을 포함하며, 리튬이온전지도 포함하는 내용이 거론되고 있으며, 이후의 세부 기술 내용에서 상세하게 기술된다.

▲ <표 1> 이차전지 분류 및 기술 개요

1.2 기술의 원리(상용 리튬이온전지)

▲ <그림 2> 이차전지 개념도(자료 : 한국과학기술연구원)

이차전지는 4대 핵심 소재(양극, 음극, 분리막, 전해질)를 중심으로 구성된다. 양극은 리튬이온을 제공하며, 음극은 리튬이온을 저장하는 역할을 한다. 분리막은 양극과 음극의 접촉을 방지하고, 전해질은 양극과 음극 사이에 리튬을 전달하는 역할을 한다.

외부 전기에너지를 이용해 충전 시 양극의 리튬은 리튬이온과 전자로 분리되며, 전자는 외부 도선을 따라 음극으로 이동하고, 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동해 리튬으로 결합되어 저장된다. 이후 방전 시 리튬이온이 양극으로 돌아가게 되고 전자가 도선을 따라가면서 전기에너지가 발생하게 된다.

이러한 충·방전 과정에서 나타나는 에너지는 4대 핵심 소재의 구성과 성능이 매우 결정적인 영향을 미치며, 이차전지의 명칭 또한 이들 핵심 소재를 따서 붙이는 경우가 많다.

따라서 이차전지의 성능 및 특성을 고도화하려면 4대 핵심 소재 개발이 선행되어야 하며, 이들 핵심 소재를 이용한 셀 제조 기술이 병행돼야 한다. 이차전지의 4대 핵심 소재의 주요 역할과 가격 비중은 <그림 3>과 같다.

▲ <그림 3> 4대 핵심 소재 역할 및 가격 비중(전지 가격 = 100)

1.3 기술의 중요성

전기차 시장의 급성장과 세계 각국의 신재생에너지 확대 정책으로 인해 이차전지의 활용 범위와 시장은 지속해서 확대될 전망이다.

세계 주요 국가에서는 이차전지용 핵심 소재인 리튬을 하얀 석유로 칭하며 기술개발 및 시장 선점, 자급 인프라 구축에 사활을 걸고 있다.

특히, 미국과 유럽은 배터리 원자재의 중국 의존도를 낮추기 위해 인플레이션 감축법(IRA)과 지속가능한 배터리법(SBR)을 통한 원자재 공급망 확보에 나섰다. 이에 맞서 중국은 원자재 공급망 및 생산량을 바탕으로 전 세계에 진출해 저가형 배터리로 시장을 공략하고 있다.

이차전지가 핵심 산업 분야로 주목받는 것은 단순히 시장 선점을 통한 경제적 가치뿐 아니라 에너지, 방위산업, 운송·교통, 일상생활 등 다양한 곳에서 활용되어 그 가치가 매우 높기 때다.

특히, 코로나19 팬데믹 후 발생한 반도체 품귀현상에 따른 전자기기 및 전기차 생산 중단과 러시아-우크라이나 전쟁으로 유럽 천연가스 공급이 중단되면서 발생한 에너지 고갈 사건 이후 미래 산업의 핵심으로 주목받고 있다. 따라서 이차전지 소재 기술 분야는 국가의 존망에 영향을 줄 정도로 가치가 크다고 할 수 있다.

우리나라는 원자재를 전량 수입에 의존하며, 이차전지 수요가 늘면서 원자재 가격이 상승하고 있다. 이러한 가격상승과 공급망 확보 불안에 대비하려면 소재 기술 확보 및 공급망 다변화가 필요하다.

2. 차세대 전지용 소재 연구개발 동향

2.1 리튬이온전지(Advanced LIB)

1) 정의

리튬이온전지의 한계를 극복하고자 이차전지의 활용처에 맞춰 다양한 차세대 전지가 개발되고 있다.

지금까지 기술 동향과 전망을 종합하면, 기술 및 소재의 한계로 차세대 전지 상용화에는 시간이 좀 더 걸릴 것으로 예상되며, 차세대 전지 이전에 기존 리튬이온전지의 4대 소재를 개선해 성능을 향상시킨 Advanced LIB가 먼저 개발될 것으로 보인다.

▲ <그림 4> Advanced LIB용 핵심 소재 개발 로드맵(자료 : LG화학, IBK투자증권 자료 재구성)

리튬이온전지의 에너지밀도 한계를 개선하려고 고용량 양극 소재와 음극 소재를 적용하고 전해질의 전압 안정성을 향상시켜 충·방전의 범위를 넓히고 분리막의 두께를 줄이는 Advanced LIB 기술개발을 지속하고 있다.

2) 소재

가. 양극

양극은 4대 핵심 소재 중 전지의 에너지밀도와 원가에 가장 큰 영향을 미치는 요인이다. 기존 리튬이온전지에서는 단가, 수명 특성, 용량, 전압 등을 고려해 △LiCoO2 △Li[NiCoMn]O2 △Li[NiCoAl]O2 △LiFePO4 △LiMn2O4를 적용해 왔다.

특히, 국내 배터리 업계는 출력 전압이 높고 용량이 높은 3성 분계인 Li[NiCoMn]O2, Li[NiCoAl]O2를, 중국은 우수한 수명 특성과 가격이 싼 LiFePO4를 핵심 소재로 활용했다.

전기차 및 에너지저장장치용으로 요구되는 이차전지의 에너지밀도를 고려할 때 Advanced LIB에서는 양극 소재가 200mAh/g 이상의 용량을 구현해야 하며, 이를 위한 양극 소재는 니켈 함량을 90% 이상까지 증가시켜야 한다.

양극 소재의 니켈 함량이 많아지면 에너지밀도는 올라가지만 니켈의 화학적 불안정성 때문에 수명 특성이 저하되는 단점이 있다.

국내 기업은 니켈 함량을 올린 양극 소재의 경우 표면에 안정한 물질을 코팅하는 등 추가 기술을 도입해 소재의 안정성을 확보해 후발 업체와의 기술격차를 확보하고 있다.

Advanced LIB에 사용될 양극 소재는 용량뿐 아니라 소재 내 리튬이온의 이동 속도를 확보해 급속 충·방전이 가능하게 되면서 가장 비싼 코발트 함량을 줄여 원가를 낮추는 형태로 개발이 진행되고 있다.

▲ <그림 5> Advanced LIB용 양극 소재 개발 방향

나. 분리막

분리막은 양극과 음극의 접촉을 막고 리튬 이동만 가능하게 하도록 다공성 고분자 소재로 만들어진 얇은 막이다. 분리막은 양극과 음극 소재가 정해진 전지의 용량이 잘 구현되도록 얇으면서 투과도가 높고 내구성이 우수하도록 설계된다.

특히, 양극과 음극이 만나 발생하는 화재를 막는 역할로 어떠한 극한의 환경에서도 변형이나 분해가 되지 않도록 기술이 개발되고 있다.

▲ <그림 6> 기존 상용 분리막과 세라믹 코팅 분리막의 성능 비교(자료 : 키움증권, 차세대배터리 미래를 담는 기술, 2019 재구성)

Advanced LIB에서는 고용량화를 위해 모든 소재가 고전압 범위까지 충·방전을 진행하게 되면서, 고분자 소재인 분리막이 분해될 위험이 있다.

이를 방지하고자 분리막 표면에 특수 세라믹을 코팅하면서 두께가 두꺼워지고 가격이 올라가지만, 안정성이 우수하고 리튬 이동에 거의 영향이 없어 Advanced LIB용 분리막으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.

다. 전해질

전극 사이에서 리튬이온을 전달해 주는 전해질은 유동성을 부여하는 유기용매와 리튬을 잡아주는 염, 부가적인 효과를 제공하는 첨가제 3가지로 구성된다. 3가지 구성요소 모두 유기물로 이루어져 고전압과 고열에 약하다.

Advanced LIB의 양극 소재에 관해 고전압으로 연구가 진행되면서 고전압에 안정한 전해질이 개발되어야 하지만 기본적인 유기물의 틀을 벗어나기는 어렵다. 기존 상용 제품인 유기용매와 염을 대체하기 어렵기 때문에 전기차나 에너지저장장치와 같이 용도에 따라 적절한 특성을 부여하도록 첨가제를 개발하고 있다.

특히 전기차용으로 저온·고온에서 안정성을 부여하고 고속 충전에 사용하거나 출력을 올려줄 첨가제가 개발되고 있다.

▲ <그림 7> 전해질 구성 및 소재와 역할(자료 : LG에너지솔루션 BATTERY INSIDE 자료 재구성)

라. 음극

음극은 충전 과정에 양극에서 받은 리튬을 저장하는 곳이며, 기존 리튬이온전지에서는 인조흑연과 천연흑연을 활용했으나 리튬을 저장하는 양에 한계가 있다.

기존 리튬이온전지에서는 360mAh/g 정도 용량을 보였으나, 수명 특성이 우수하고 가격이 저렴해 양극 소재가 여러 조성으로 개발되고 상용화된 반면, 음극은 흑연을 중심으로 성장했다.

▲ <그림 8> 음극 소재에 따른 배터리 특성(자료 : 포스코뉴스룸)

Advanced LIB에서는 양극 소재의 에너지밀도를 향상한 만큼 이에 맞춰 음극의 에너지밀도를 증가시켜 양극에서 오는 리튬을 저장할 수 있어야 한다.

하지만 이미 흑연은 용량을 한계치로 활용하고 있어서 기존 흑연에 실리콘 기반의 합성물을 섞어서 사용하는 흑연-실리콘 복합체와 실리콘 산화물이 연구되고 있다.

실리콘은 이론상으로 흑연보다 10배 많은 리튬을 저장할 수 있는 차세대 소재이지만 전기전도도가 낮고 충·방전 중에 부피 변화가 커 수명 특성이 기존 흑연에 비해 떨어진다.

이에 따라 Advanced LIB용 음극 소재는 기존 흑연과 실리콘을 복합화해 실리콘 함량을 증가시키면서 수명 특성을 확보하는 방향으로 개발이 진행되고 있다.