[The Korea Industry Post (kipost.net)] 차세대 배터리로 손꼽히는 전고체전지 원천기술 개발이 시급한 과제로 제기됐다. 일본을 중심으로 한 원천기술 특허 비중이 너무 높아 국내 기술 개발이 점점 어려워지고 있기 때문이다.

▲도요타는 2022년 전고체전지 전기차를 출시한다. 사진은 도요타의  PHEV 프리우스프라임. / 도요타 제공

15일 서울 영등포구 사학연금회관에서 열린 ‘2018년 유력 차세대 전지 연구 기술 개발과 기술이슈 및 상용화 세미나’에서 신동욱 한양대학교 신소재공학부 교수는 전고체전지를 주제로 강연을 진행했다.

전고체전지는 액체형태의 전해질을 사용하는 기존 리튬이온전지와 달리 고체전해질을 사용하는 배터리를 말한다. 전고상전지 또는 전고체상전지라고도 부른다.

기존 전지에 사용되는 액체전해질은 인화성이 높다. 반면 고체전해질은 인화성 없는 무기물로 구성돼 안전하다. 이 특성 덕분에 완성차 업체들의 관심을 가장 많이 받는 차세대 배터리로 손꼽힌다.

안전성이 높고 많은 관심을 받고 있음에도 아직 전고체배터리가 개발되지 않은 가장 큰 이유는 낮은 이온전도도 때문이다. 2차전지는 전해질이 음극과 양극을 오가며 충방전이 되는데, 고체전해질이 액체전해질만큼 이온전도도를 높이기 어려웠다.

그러나 일본에서 리튬이온배터리와 이온전도도가 비슷하거나 높은 고체전해질을 개발하며 이 문제는 해결됐다. 다음으로 요구되는 것은 양산 재현성이다. 전해질 소재 자체가 주변 환경에 굉장히 민감해 꾸준히 똑같은 전해질을 생산하는 연구가 필요하다.

전고체전지 분야에서 가장 앞선 업체는 일본 도요타다. 도요타는 2020년까지 전고체배터리로 움직이는 전기차를 개발해 2022년 제품을 출시할 계획이다. 업계는 도요타가 고체전해질 양산시험을 진행 중인 것으로 파악한다.

문제는 전고체전지 기술 개발 비중이 일본에 편중됐다는 점이다. 신동욱 교수는 “일본은 30년동안 묵묵히 전고체배터리 기술 개발을 진행해 왔다”며 “그러나 원천 기술인 전고체전해질 소재 조성 특허는 3건을 제외하고 모두 도요타 컨소시엄과 관련 업체들 것”이라고 설명했다. 도요타와 관계없는 특허 3건 중 2건은 신 교수가, 1건은 미국에서 개발했다.

▲신동욱 한양대학교 신소재공학부 교수가 강연 중이다.

전고체전지 기술 개발은 전기차 시장 개발과 다른 형태의 차세대 배터리를 개발하는 데 중요한 역할을 차지한다. 이 때문에 관련 기술 확보는 향후 배터리 시장 점유에 중요한 역할을 할 전망이다.

전고체전지는 양극재와 음극재를 변경해 리튬황전지, 리튬금속전지에 적용 가능하다. 각각 양극재로 황을, 음극재로 금속을 사용한다. 이 때문에 세가지 소재를 합친 배터리를 제조할 수 있다.

리튬황전지와 리튬금속전지를 합친 2차전지를 제조했을 때 기대되는 에너지밀도는 1kg당 440Wh다. 1kg당 250Wh 수준인 기존 리튬이온배터리 에너지밀도보다 두 배 가까이 높다. 전고체전지와 더불어 실현 가능성 있는 차세대 배터리로 손꼽힌다.

그러나 리튬황전지, 리튬금속전지는 리튬이온전지 적용 시 충방전 수명이 짧아진다. 리튬이 소재에 잘 스며들지 않아 부반응이 일어나거나 리튬이 나뭇가지모양으로 굳어 성장하는 덴트라이트가 발생하기 때문이다. 덴트라이트는 기존 배터리에도 발생하지만 리튬금속전지 내부 덴트라이트 크기는 다른 배터리보다 더 빠르고 크게 형성된다.

업계는 이미 고체상태인 전해질을 사용하는 전고체전지에는 리튬황전지와 리튬금속전지 적용이 가능할 것으로 기대한다.

신 교수는 “전고체전지는 2차전지 산업의 근간을 바꿀 것”이라며 “더 많은 특허 걸림돌에 문제가 생기기 전에 전고체전지 기술 개발에 뛰어들어야 한다”고 말했다.