기존 리튬이온 배터리는 1회 충전 시 약 300km 이상 주행하고 1개로 총 500회 충전할 수 있다. 결론적으로 폭발 위험성과 수명이 짧다는 큰 단점을 갖고 있다. 배터리도 현재의 단점을 극복하기 위해 진화는 필수적이다. 우선 리튬 금속 배터리부터 보자. 리튬 금속 배터리의 강점은 내구성이다. 동일 크기 배터리 대비 최소 2배 이상 내구성을 지닌 리튬 금속 배터리는 매사추세츠공과대(MIT) 졸업생이 모여 만든 스타트업 기업 솔리드 시스템이 개발했다. 2015년 10월 프로토타입(시제품) 시연 후 2018년 말 스마트폰에 처음 적용됐다. 리튬 금속 배터리는 에너지 밀도를 1000와트시(Wh)/litter 이상 향상했다. 현재 스마트폰에서 쓰는 리튬 금속 배터리는 리튬이온 배터리보다 최소 2배 이상 용량이 높다. 전기차에서도 마찬가지다.
이론적으로 전기차 주행거리를 늘리면서 무게까지 낮추려면 배터리 에너지 밀도가 높아야 한다. 에너지 밀도가 높을수록 같은 무게에 저장할 수 있는 전기 용량이 더 커진다. 이런 이론으로 리튬 금속 배터리가 전기차용으로 주목받는 이유다. 리튬 금속 배터리는 폭발 위험성도 낮다. 효율성과 안전성을 고려한 전해질 용역을 쓰기 때문에 기기 이상이나 충격에 따른 배터리 폭발사고를 미리 방지할 수 있다. 업계에서는 차세대 전기차에 리튬 금속 배터리가 접목된다면 안전성 향상과 동시에 주행거리 확대와 차량 경량화 또한 가능해질 것으로 기대하고 있다.
리튬 황 배터리로 진화
리튬 황 배터리 역시 주목받는 차세대 배터리 기술이다. 리튬 황 배터리의 에너지 밀도는 리튬이온 배터리보다 최대 6배 이상 높다. 하지만 황(S)의 전기전도도가 낮고, 충전과 방전으로 인한 부피 변화, 반응성 물질인 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹는 현상 등이 있어 상용화가 쉽지 않았다. 그러다 최근 호주 기반 전기차 회사인 브라이선이 8년 만에 리튬 황 배터리 개발에 성공했다고 발표하면서 리튬 황 배터리 전기차 시대가 머지않았다는 말이 나오고 있다. 이 배터리가 상용화되면 한 번 충전에 2000km 거리를 주행할 수 있게 된다. 폭발 위험성도 낮고 배터리 수명도 엄청나게 확대된다.
한국에서도 한국과학기술원( KAIST)이 전해액 사용량을 대폭 줄인 리튬 황 배터리 개발에 성공했다. 특히 황(S)은 지구에 풍부하게 존재해 저가의 배터리를 구현하는 데 도움이 될 것으로 보인다. KAIST 연구팀은 기존 기술보다 전해액을 4분의 1만 사용하는 리튬 황 배터리를 개발해 성능을 높히고 경제성도 키웠다. 대구경북과학기술원(DGIST)도 리튬 황 배터리 개발 경쟁에 뛰어들었다. DGIST 연구팀은 황(S)을 효과적으로 담을 수 있는 물질인 '다공성실리카'를 합성한 전극을 구현해 리튬 황 배터리 수명과 안전성을 높혔다. 실리카는 암석이나 토사의 주성분으로 광섬유 등의 기본이 되는 소재다. 기존에는 다공성 탄소물질이 리튬 황 전지를 위해 사용됐지만, 황(S) 손실이 크다는 문제가 있었다. 연구팀이 2000회 이상 충·방전 실험을 진행한 결과, 다공성 실리카가 더 높은 내구성을 보였다.
전기차의 미래는 전고체 배터리다
요즈음 배터리 업계에서 가장 화두가 되는 것은 전고체 배터리로서 '전기차의 미래'로 불릴 만큼 기대를 한 몸에 받고 있는 차세대 배터리다. 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극간 이온을 전달하는 전해질로 액체 대신 고체 물질을 쓰는 것이 특징이다. 그 덕분에 리튬 소재 배터리가 갖는 폭발 위험성이 낮다. 전지 여러 개를 직렬로 연결해 공간이 많이 요구되는 리튬이온 배터리와 달리 전지 하나에 전극과 고체 전해질을 연결한다. 그만큼 크기와 무게를 줄일 수 있다. 또 리튬이온 배터리에 넣는 분리막 소재가 없어 더 앏게 만들 수 있다.
충전 시간도 기존 배터리보다 훨씬 짧아 전기차, 드론, 웨어러블 기기 등에서 폭넓게 쓰일 것으로 전망된다. 이러한 강점 때문에 해외 자동차 기업은 앞다퉈 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다. 이런 연유는 전고체 배터리가 현재 리튬이온 배터리보다 30% 정도 가볍기 때문이다. 현재 국내에서는 삼성전자 정도가 상용화 문턱에 다다른 상태다. 지난 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전에 800km 주행, 1000회 이상 배터리 재충전이 가능한 전고체 배터리 연구 결과를 발표했다. 배터리 수명과 안전성은 높이되 크기는 반으로 줄인 것이 특징이다.
한국생산기술연구원(생기원)은 각각 단위 셀을 직렬 연결하는 '바이폴리 구조'를 적용해 부피를 3분의 1로 줄인 전고체 배터리 기술을 개발했다. 특히 400회에 걸친 단위 셀 충·방전 실험에서 이번에 개발된 배터리가 84%의 용량을 유지하고 수명이 5배 이상 개선됐다는 사실을 밝혔다. 생기원 연구팀은 이 배터리에 산소(LLZO) 소재를 사용했는데, 그동안 LLZO 소재는 안전성이 뛰어나나 제조 비용이 비싸다는 단점이 있었다. 연구팀은 화학 반응기를 통한 저가의 연속생산 공정을 도입해 생산비용을 최소화하는 데 성공해 문제를 해결했다.
배터리 전쟁의 최종 승리자는 한국이다
연간 7000만대 이상 쏟아지는 전 세계의 신형 자동차는 궁극적으로 전기모터의 힘에 의존해야 한다. 거대한 변화 속에 차세대 자동차의 배터리 기술이 핵심 키로 부상하고 있다. 20세기는 정교한 엔진을 만드는 나라가 자동차 선진국이었지만 21세기에는 더 세고 오래가며 안전한 배터리를 만드는 나라가 세계 자동차 시장을 주도할 것이다. 현재 배터리 전쟁은 일본은 니켈수소 한국은 리튬이온 싸움이다.
그런데 LG화학이 뜻밖에도 GM의 엄격한 테스트과정을 뚫고 대규모 리튬이온 배터리 공급계약을 성사시킨 것이다. 국산 리튬이온 배터리의 기술력과 가격경쟁력이 국제적으로 공인된 셈이다. 전문가들은 이제는 HEV용 리튬이온 배터리의 안전성은 상업적으로 우려할 수준은 넘어선 것으로 봐야 한다고 평가한다. LG화학이 개발한 리튬이온 배터리는 기존 액체형과 달리 리튬이온이 젤 형태로 축적돼 있어 안전성이 훨씬 뛰어나다. 무엇보다 차량용 배터리 시장을 주도해온 일본기업의 니켈수소 배터리보다 50% 이상의 높은 출력과 에너지를 낼 수 있다. 경박단소화된 구조로 배터리 시스템을 만들 수 있어 HEV의 연비도 높아진다.
미국 디트로이트 오토 쇼에서 LG화학이 쉐보레 볼트용 배터리를 공급한다고 발표한 릭 왜고너 GM 회장은 “GM의 미래를 결정지을 중대한 프로젝트인 만큼 철저한 테스트를 거쳐 신중하게 배터리 업체를 선정했다”고 밝혔다. GM이 2025년까지 판매할 쉐보레 볼트는 약 30만대로 LG화학의 배터리 매출은 2조원에 이를 전망이다. 이제 친환경 자동차 시장에서 니켈수소 배터리, 일본의 오랜 독주는 끝나고 차량용 배터리 한일전의 서막이 올랐다. 이에 따라 친환경 차량용 배터리 분야에서 한국도 리튬이온 일변도에서 벗어나 다양한 기술적 포트폴리오를 갖춰 나간다면 반도체처럼 배터리에서도 초격차로 선두적 지위를 유지할 것으로 보인다.
앞으로 전개될 배터리 전쟁에서 승리자가 되기 위해서는 한국에서의 산·학·연 협력 관계가 승패를 결정지을 것이다. 우리에게 고무적인 것은 2차전지가 크게 주목을 받은 만큼 소재 등 관련 연구도 계속해서 발표되고 있다는 사실이다. 한국화학연구원(화학연)은 최근 2차전지에 적응될 경우 크게 성능을 향상시킬 것으로 기대받는 꿈의 소재 '그래핀'을 저렴하게 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
울산과학기술원(UNIST)은 2017년 177억원을 투입해 총면적 5700㎡의 '미래형 2차전지 산학연 연구센터'를 건립했다. 현재 UNIST는 배터리 연구 장비와 연구원을 별도 건물에 모아 전문적으로 2차전지를 연구하고 있다. 이 같은 노력 덕분에 UNIST는 차세대 2차전지를 위한 연구 성과를 꾸준하게 발표하고 있다. 지난 5월 전고체 배터리에 사용되는 물질을 분석한 연구 결과를 내놓기도 했다. 이처럼 산학연이 협업하여 미래의 배터리 진화를 견인하는 대한민국의 제2의 반도체 전기차 배터리는 한국의 반도체에 이은 미래 먹거리로서 전기차를 더 안전하고 강하게 견인하는 배터리 전쟁에서 영원한 승리자가 될 것이다.
필자소개
월드코리안신문 명예기자
중국 쑤저우한국상회 고문
중국 쑤저우인산국제무역공사동사장
WORLD OKTA 쑤저우지회 고문
세계한인무역협회 14통상위원장
