VOL.109 · June 15 · 2018
융복합센서연구그룹 김광만, 이영기 책임연구원
리튬이온전지는 일상생활에 사용되는 대부분의 전자 기기에 사용된다. “리튬이온전지가 뭐지?”라는 생각이 든다면, 가장 가까이 있는 스마트폰, 노트북의 배터리를 보면 된다. 이렇듯 우리 생활 가까이 필수로 존재하는 리튬이온전지는 전지 중의 ‘대세’라고 해도 과언이 아니다. 대세 전지의 여러 가지 궁금증을 알아보기 위해 ETRI 융복합센서연구그룹 김광만, 이영기 책임연구원을 만나보았다.
| 최근 국내외 여러 기업이 배터리 개발사업에 뛰어들었다. 스마트폰을 비롯해 노트북, 전기자동차, 웨어러블 기기 등 배터리가 활용될 가능성은 앞으로 더 무궁무진하기 때문이다. 이렇게 많은 산업에 주로 사용되는 배터리가 바로 ‘리튬이온전지’이다. |
| _ |
| 김광만 책임연구원 |
| “지금 리튬이온전지와 경쟁하고 있는 전지 시스템이 연료전지, 태양전지 등등 여러 가지가 있어요. 연구는 계속 해왔지만, 연료전지 분야는 아직 상용화되지 못했어요. 반면 리튬이온전지는 이미 상용화되었고, 소재나 공정을 고도화시키기 위해 계속 연구해나가고 있어요. 대세는 앞으로도 리튬이온전지일 것입니다.” |
| 리튬이온전지는 양극과 음극 사이에 유기 전해질을 넣어 충전과 방전을 반복하게 되는 원리이다. 이는 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는 데 유리하기 때문에 스마트폰, 노트북, 디지털카메라 등 소형 전자기기에 많이 사용된다. 하지만 리튬이온전지는 구조상 사용한 만큼 열화되고, 큰 충격과 구부림에 약하다는 단점이 있다. 이 때문에 지금도 연구자들은 많은 전기에너지를 만들어낼 뿐 아니라 안전한 새로운 2차 전지의 개발에 매진하고 있다. |
| 최근 국내외 여러 기업이 배터리 개발사업에 뛰어들었다. 스마트폰을 비롯해 노트북, 전기자동차, 웨어러블 기기 등 배터리가 활용될 가능성은 앞으로 더 무궁무진하기 때문이다. 이렇게 많은 산업에 주로 사용되는 배터리가 바로 ‘리튬이온전지’이다. | |
| 김광만 책임연구원 |
“지금 리튬이온전지와 경쟁하고 있는 전지 시스템이 연료전지, 태양전지 등등 여러 가지가 있어요. 연구는 계속 해왔지만, 연료전지 분야는 아직 상용화되지 못했어요. 반면 리튬이온전지는 이미 상용화되었고, 소재나 공정을 고도화시키기 위해 계속 연구해나가고 있어요. 대세는 앞으로도 리튬이온전지일 것입니다.” |
| 리튬이온전지는 양극과 음극 사이에 유기 전해질을 넣어 충전과 방전을 반복하게 되는 원리이다. 이는 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는 데 유리하기 때문에 스마트폰, 노트북, 디지털카메라 등 소형 전자기기에 많이 사용된다. 하지만 리튬이온전지는 구조상 사용한 만큼 열화되고, 큰 충격과 구부림에 약하다는 단점이 있다. 이 때문에 지금도 연구자들은 많은 전기에너지를 만들어낼 뿐 아니라 안전한 새로운 2차 전지의 개발에 매진하고 있다. | |
| 2016년 발생한 갤럭시 노트 7의 폭발 사고는 전 세계를 들썩이게 했다. 각국 정부 기관에서는 비행기 탑승 시 갤럭시 노트 7 전원을 끄라는 권고를 내리는 등 폭발물에 버금가는 위험 물질로 취급했다. 이를 계기로 그동안 안전하다고 믿어왔던 리튬이온전지의 위험성이 다시 수면위로 떠오르면서 2차 전지의 안전성에 대한 우려의 목소리가 나왔다. |
| _ |
| 이영기 책임연구원 |
| “보통 이온은 물에 용해되어 있어요. 수용액 속에 금속이온들이 형성되는데 리튬이란 소재는 특이하게 유기용매 내에서만 이온이 형성됩니다. 유기용매들은 대개 발화성을 가지고 있지만, 모든 리튬이온전지는 이 용액을 기본적으로 사용해야 합니다.” |
| 배터리는 치밀한 안전장치와 안전성 테스트를 걸쳐 완성된다. 하지만 어떤 배터리든 충격이나 열, 외부 스트레스에 의해 발화될 수 있다는 점을 주의해야한다. 지난 1월 중국의 한 전자제품 매장에서 아이폰 배터리가 폭발하는 소동이 벌어졌다. 아이폰 배터리를 교체하기 위해 전자제품 매장을 찾은 한 남성이 정품 여부를 확인하는 방법으로 배터리를 깨무는 선택을 한 것이다. 그리곤 얼마 후 정말 폭탄이 터지듯 배터리가 폭발했다. |
| 2016년 발생한 갤럭시 노트 7의 폭발 사고는 전 세계를 들썩이게 했다. 각국 정부 기관에서는 비행기 탑승 시 갤럭시 노트 7 전원을 끄라는 권고를 내리는 등 폭발물에 버금가는 위험 물질로 취급했다. 이를 계기로 그동안 안전하다고 믿어왔던 리튬이온전지의 위험성이 다시 수면위로 떠오르면서 2차 전지의 안전성에 대한 우려의 목소리가 나왔다. | |
| 이영기 책임연구원 |
“보통 이온은 물에 용해되어 있어요. 수용액 속에 금속이온들이 형성되는데 리튬이란 소재는 특이하게 유기용매 내에서만 이온이 형성됩니다. 유기용매들은 대개 발화성을 가지고 있지만, 모든 리튬이온전지는 이 용액을 기본적으로 사용해야 합니다.” |
| 배터리는 치밀한 안전장치와 안전성 테스트를 걸쳐 완성된다. 하지만 어떤 배터리든 충격이나 열, 외부 스트레스에 의해 발화될 수 있다는 점을 주의해야한다. 지난 1월 중국의 한 전자제품 매장에서 아이폰 배터리가 폭발하는 소동이 벌어졌다. 아이폰 배터리를 교체하기 위해 전자제품 매장을 찾은 한 남성이 정품 여부를 확인하는 방법으로 배터리를 깨무는 선택을 한 것이다. 그리곤 얼마 후 정말 폭탄이 터지듯 배터리가 폭발했다. | |
| _ |
| 이영기 책임연구원 |
| “안전성이라는 문제 때문에 나온 대안은 ‘고체 전해질’입니다. 고체 전해질을 쓰든 액체 전해질을 쓰든 전극 구성은 거의 동일해요. 하지만 상식적으로 고체 덩어리보다는 액체 내에서의 이온 이동이 빨라요. 그만큼 고체 전해질의 성능이 떨어지죠. 잠재적인 성능만 유사하게 낸다면 기존 액체 전해질 기반 리튬이온전지보다 훨씬 고성능의 전지가 될 가능성이 충분합니다. 여러 장벽이 있지만, 그런 것들을 극복하기 위한 연구들을 진행 중입니다.” |
| 고체 전해질은 대부분 불이 잘 붙지 않는 세라믹 구조들로 이루어져 있다. 이 때문에 실질적으로 높은 안전성 향상을 가져오지만, 액체 전해질보다 성능이 떨어진다는 점이 단점이다. 현재 융복합센서연구그룹에서는 액체 전해질을 완전한 고체 전해질로 대체했을 때 성능의 감소를 떨어트리지 않고 얼마나 유지할 수 있는지에 대한 연구와, 그에 맞는 전지 구조를 어떻게 설계하느냐 두 가지 관점에서 연구를 진행 중이다. |
| 이영기 책임연구원 |
“안전성이라는 문제 때문에 나온 대안은 ‘고체 전해질’입니다. 고체 전해질을 쓰든 액체 전해질을 쓰든 전극 구성은 거의 동일해요. 하지만 상식적으로 고체 덩어리보다는 액체 내에서의 이온 이동이 빨라요. 그만큼 고체 전해질의 성능이 떨어지죠. 잠재적인 성능만 유사하게 낸다면 기존 액체 전해질 기반 리튬이온전지보다 훨씬 고성능의 전지가 될 가능성이 충분합니다. 여러 장벽이 있지만, 그런 것들을 극복하기 위한 연구들을 진행 중입니다.” |
| 고체 전해질은 대부분 불이 잘 붙지 않는 세라믹 구조들로 이루어져 있다. 이 때문에 실질적으로 높은 안전성 향상을 가져오지만, 액체 전해질보다 성능이 떨어진다는 점이 단점이다. 현재 융복합센서연구그룹에서는 액체 전해질을 완전한 고체 전해질로 대체했을 때 성능의 감소를 떨어트리지 않고 얼마나 유지할 수 있는지에 대한 연구와, 그에 맞는 전지 구조를 어떻게 설계하느냐 두 가지 관점에서 연구를 진행 중이다. | |
| _ |
| 이영기 책임연구원 |
| “저희가 긴 호흡으로 장기적 안목의 연구로 봤을 때 안전성과 에너지밀도 두 가지를 다 잡을 수 있는 전지를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다. 짧게는 두 가지를 각각 개별적으로 연구하고 있어요. 에너지밀도를 달성하기 위한 리튬금속을 활용한 전지와 안전성을 강화하기 위한 액체 전해질을 대체하는 안전한 전지 개발을 별도로 나누고 있습니다. 저희 팀의 궁극적인 로드맵은 이 두 연구를 장기적으로 합치는 것입니다.” |
| 기존 상용화되어 있는 액체 기반 성능 전지에 안전성을 강화한 전지를 전고체전지(All-Solid-State Battery)라 한다. 여기에 먼 미래에는 안전성도 중요하지만, 성능도 기존 리튬이온전지보다 향상된 전지를 요구한다. 액체 전해질 기반 리튬이온전지에서 고체 전해질 기반 리튬이온전지로 한 단계 더 올라가 리튬금속 기반 리튬이차전지를 개발하는 것이 융복합센서연구그룹의 최종적인 목표다. |
| 이영기 책임연구원 |
“저희가 긴 호흡으로 장기적 안목의 연구로 봤을 때 안전성과 에너지밀도 두 가지를 다 잡을 수 있는 전지를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다. 짧게는 두 가지를 각각 개별적으로 연구하고 있어요. 에너지밀도를 달성하기 위한 리튬금속을 활용한 전지와 안전성을 강화하기 위한 액체 전해질을 대체하는 안전한 전지 개발을 별도로 나누고 있습니다. 저희 팀의 궁극적인 로드맵은 이 두 연구를 장기적으로 합치는 것입니다.” |
| 기존 상용화되어 있는 액체 기반 성능 전지에 안전성을 강화한 전지를 전고체전지(All-Solid-State Battery)라 한다. 여기에 먼 미래에는 안전성도 중요하지만, 성능도 기존 리튬이온전지보다 향상된 전지를 요구한다. 액체 전해질 기반 리튬이온전지에서 고체 전해질 기반 리튬이온전지로 한 단계 더 올라가 리튬금속 기반 리튬이차전지를 개발하는 것이 융복합센서연구그룹의 최종적인 목표다. | |
| 전기자동차를 단적인 예로 들어 보자. 전기자동차 뒷좌석에는 배터리 팩이 있다. 이곳에는 A4 용지만 한 배터리 몇백 개가 들어있다. 이는 실질적인 주행거리를 의미한다. 휘발유 자동차의 경우 한 번 기름통을 꽉 채우면 400~500km 주행거리가 나오지만, 전기자동차는 이에 비교해 주행거리가 짧은 편이다. 충전시간도 꽤 걸린다는 단점이 있다. |
| _ |
| 이영기 책임연구원 |
| “리튬금속이차전지는 기존 배터리보다 에너지밀도를 2배 가까이 확장할 수 있기 때문에 전기자동차에 적용 시 일 충전 주행거리를 현저하게 늘릴 수 있어요. 대전에서 대구를 간다고 했을 때 휘발유는 꽉 채워 출발하면 왕복하고도 걱정이 없어요. 하지만 전기자동차는 돌아올 때 다시 충전해서 돌아와야 하는 번거로움이나 불안함이 있죠. 여기서 에너지밀도가 큰 배터리를 동일 공간 내 동일 개수로 채워 넣어도 주행거리가 이론적으로 2배 이상 늘어나요. 전기자동차뿐만 아니라 배터리를 사용하는 모든 산업의 사용시간이 획기적으로 늘어납니다.” |
| _ |
| 김광만 책임연구원 |
| “문제는 안전성이에요. 안전성을 강화하기 위해 리튬금속 음극 기술에 고체 전해질을 접목할 수 있다면 에너지밀도가 향상되고 안전한 전지가 탄생합니다. 하지만 시간이 많이 필요해요. 이를 연구하는 국내 연구진도 많고 협력 연구도 많이 하고 있지만, 굉장히 어려운 연구에요. 시간을 당기기 위해서 여러 가지 노력을 하고 있습니다.” |
| 전기자동차를 단적인 예로 들어 보자. 전기자동차 뒷좌석에는 배터리 팩이 있다. 이곳에는 A4 용지만 한 배터리 몇백 개가 들어있다. 이는 실질적인 주행거리를 의미한다. 휘발유 자동차의 경우 한 번 기름통을 꽉 채우면 400~500km 주행거리가 나오지만, 전기자동차는 이에 비교해 주행거리가 짧은 편이다. 충전시간도 꽤 걸린다는 단점이 있다. | |
| 이영기 책임연구원 |
“리튬금속이차전지는 기존 배터리보다 에너지밀도를 2배 가까이 확장할 수 있기 때문에 전기자동차에 적용 시 일 충전 주행거리를 현저하게 늘릴 수 있어요. 대전에서 대구를 간다고 했을 때 휘발유는 꽉 채워 출발하면 왕복하고도 걱정이 없어요. 하지만 전기자동차는 돌아올 때 다시 충전해서 돌아와야 하는 번거로움이나 불안함이 있죠. 여기서 에너지밀도가 큰 배터리를 동일 공간 내 동일 개수로 채워 넣어도 주행거리가 이론적으로 2배 이상 늘어나요. 전기자동차뿐만 아니라 배터리를 사용하는 모든 산업의 사용시간이 획기적으로 늘어납니다.” |
| 김광만 책임연구원 |
“문제는 안전성이에요. 안전성을 강화하기 위해 리튬금속 음극 기술에 고체 전해질을 접목할 수 있다면 에너지밀도가 향상되고 안전한 전지가 탄생합니다. 하지만 시간이 많이 필요해요. 이를 연구하는 국내 연구진도 많고 협력 연구도 많이 하고 있지만, 굉장히 어려운 연구에요. 시간을 당기기 위해서 여러 가지 노력을 하고 있습니다.” |
| 액체 전해질에는 발화성 및 폭발 가능성이 있다. 하지만 그 위험한 물체를 그대로 전지에 담아 상용화하지 않는다. 배터리 온도가 너무 올라가거나 압력이 차오르면 이런 것들을 사전에 방지할 수 있는 안전장치를 제작한다. 이 안전장치는 전자제품 사용 시 배터리가 부풀어 오를 때, 배터리 내부에서 회로의 전류 흐름을 자동으로 차단하는 장치이다. |
| _ |
| 이영기 책임연구원 |
| “저희가 개발한 고체 전해질을 사용하면 안전장치에 해당하는 부품들을 사용하지 않아도 되는 장점이 있어요. 그 안전장치가 단일 전지에는 하나지만, 전기자동차의 경우 몇백 개 배터리에 안전장치가 하나하나 다 들어가요. 그 전체 안전장치들도 열관리를 위해서 냉각시스템 외에 부가 장치가 붙는데, 실제 배터리 크기 반 이상을 안전장치가 차지합니다. 이걸 고체로 쓰게 되면 배터리 부피를 확연히 줄일 수 있어요. 배터리가 작아지면 디바이스 크기가 작아질 수도 있어요. 하지만 배터리가 지금 같은 크기를 유지해도 된다면 에너지밀도와 사용시간을 현저히 늘릴 수 있겠죠. 이런 장점들이 있습니다. 단 성능이 완벽하게 구성됐다는 가정 하에요.” |
| 액체 전해질에는 발화성 및 폭발 가능성이 있다. 하지만 그 위험한 물체를 그대로 전지에 담아 상용화하지 않는다. 배터리 온도가 너무 올라가거나 압력이 차오르면 이런 것들을 사전에 방지할 수 있는 안전장치를 제작한다. 이 안전장치는 전자제품 사용 시 배터리가 부풀어 오를 때, 배터리 내부에서 회로의 전류 흐름을 자동으로 차단하는 장치이다. | |
| 이영기 책임연구원 |
“저희가 개발한 고체 전해질을 사용하면 안전장치에 해당하는 부품들을 사용하지 않아도 되는 장점이 있어요. 그 안전장치가 단일 전지에는 하나지만, 전기자동차의 경우 몇백 개 배터리에 안전장치가 하나하나 다 들어가요. 그 전체 안전장치들도 열관리를 위해서 냉각시스템 외에 부가 장치가 붙는데, 실제 배터리 크기 반 이상을 안전장치가 차지합니다. 이걸 고체로 쓰게 되면 배터리 부피를 확연히 줄일 수 있어요. 배터리가 작아지면 디바이스 크기가 작아질 수도 있어요. 하지만 배터리가 지금 같은 크기를 유지해도 된다면 에너지밀도와 사용시간을 현저히 늘릴 수 있겠죠. 이런 장점들이 있습니다. 단 성능이 완벽하게 구성됐다는 가정 하에요.” |
리튬이차전지용 고체 전해질 제조기술을 통해 연구진은 ‘2017년 국가연구개발 우수성과 100선’에 선정됐다. 연구진은 고에너지밀도와 고안전성 기능이 동시에 합쳐져 있는 2차 전지 개발을 앞당기기 위한 연구를 진행 중이다. 또한 2차 전지 생산량 1위인 한국의 기술력에 조금이라도 보탬이 될 수 있도록 ESS(Energy Storage System)용 이차전지 개발에도 힘쓸 계획이다. 연구진은 국민들에게 고안전성의 고밀도에너지 전지를 제공하는 임무를 수행하고자 오늘도 연구개발에 매진하고 있다.
