'리튬이온' 이을 차세대 배터리는?
서원극 기자 wkseo@snhk.co.kr 기사입력 2020-09-18 06:01:16
'전고체' 용량은 2배·크기는 절반… 폭발 위험도 없어
'나노와이어' 극미세선으로 에너지 밀도 높이는 기술
‘배터리(battery)’. 건전지나 기계를 작동시키기 위한 연료를 일컫는 말이다. 우리 생활에서 이제는 이 배터리 없는 것은 상상하기조차 힘들다.

스마트폰이나 전기자동차까지 대부분의 기기에 배터리가 들어간다. 특히 충전 용량과 속도는 배터리의 성능을 판가름하는 가장 중요한 요소로 꼽힌다. 이런 가운데 최근 미국의 전기자동차 테슬라가 전기차의 핵심인 배터리 기술을 공개하겠다며 22일을 ‘배터리 데이(신기술 배터리 발표일)’로 예고했다. 테슬라가 꺼낼 카드와 차세대 배터리 시대를 예상해본다.

△천하 통일 리듐이온 배터리?

배터리는 ‘양극(+)’과 ‘음극(-)’으로 구성된다. 현재 배터리 시장은 리튬을 이용한 ‘리튬이온 배터리’가 천하통일을 이루고 있다.

무선 이어폰과 무선 청소기, 전기 자동차까지 이 배터리를 쓴다. 양극을 구성하는 재료(양극재)에서 나온 리튬이온이 전지 안에서 이동해 음극재에 저장되거나 방출되면서 전기를 충전하고 생산한다.

알칼리금속 원소로 불리는 리튬은 폭발성이 강하다는 단점이 있지만, 전자를 쉽게 내놓아 양이온이 잘 되는 성질이 있어 전기 에너지 변환 능력이 좋다. 특히 수소 다음으로 작은 양이온이라서 이동 속도가 빨라 충전과 방전 속도 역시 빠르다.

단점은 있다. 리튬이온 배터리는 양극재에 니켈이나 망간, 코발트를 써야 한다. 그런데 이들은 자원 매장량에 한계가 있다.

△차세대 배터리는 ‘전고체 배터리’?

과학자들이 찾고 있는 다음 세대 후보 배터리 소재는 리튬과 화학적 성질이 비슷한 물질들이다. 리튬 바로 아래에 위치한 나트륨과 그 아래의 칼륨이다.

테슬라가 공개할 배터리(2차 전지)는 전고체 배터리일 가능성이 크다. ‘꿈의 배터리’로 불리는 이 배터리는 배터리 양극과 음극 사이 액체 전해질을 고체 물질로 바꾸는 차세대 기술이다.

리튬이온 배터리보다 에너지 용량이 2배가량 늘어나고 무엇보다 고체 전해질을 사용해 폭발 위험이 없다. 환경 변화에도 강하다. 리튬이온 배터리는 전지 여러 개를 직렬로 연결해야 에너지 밀도가 높아져 공간이 많이 필요하다.

반면 전고체 배터리는 전지 하나에 전극과 고체 전해질을 층층이 연결하는 방식이라 절반 정도 크기로 줄어든다.

△테슬라가 내놓을 카드는?

테슬라가 인라 행사에서 공개할 차세대 배터리는 ‘전고체 배터리’와 ‘나노와이어 배터리’로 점쳐진다. 나노와이어는 금속을 비롯한 다양한 물질을 단면 지름이 1나노미터(10억 분의 1미터)인 극미세선으로 만드는 기술이다.

양극 또는 음극 재료를 나노와이어 형태로 만들어 에너지 밀도를 높이는 것이 특징이다. 즉, ‘에너지 밀도’에서 한계점에 온 리튬이온 배터리를 보완할 가장 유력한 후보로 꼽힌다. 특히 실리콘 음극재에 나노와이어 기술을 적용하면 충전과 방전을 반복해도 손상이 일어나지 않는다는 장점이 있다. 실리콘은 리튬이온 배터리에 쓰이는 흑연보다 10배나 많은 리튬을 저장하는 것으로 알려졌다.

테슬라가 중국 최대 배터리 업체(CATL)와 개발 중인 ‘100만 마일(약 160만 km) 배터리’도 등장할 지 관심을 모은다. 100만 마일 배터리는 수명이 기존 배터리보다 5~10배나 긴 ‘괴물 배터리’로 알려져 있다.

△LG화학 등 국내 배터리 회사의 반격 카드는?

LG화학과 삼성SDI, SK이노베이션 등 국내 배터리 ‘빅3’도 차세대 제품 준비로 바쁘다. 특히 LG화학은 최근 ‘리튬-황 배터리’를 탑재한 무인기로 국내에서는 처음으로 최고 고도 비행 테스트에 성공했다.

구체적으로 고도 12km~22km 사이의 성층권에서 7시간 날았다. 이 배터리는 무게당 에너지 밀도가 리튬이온 배터리에 비해 1.5배 이상 높다. 또 가볍고 희귀 금속을 사용하지 않아 가격 경쟁력도 높다.

다만, 이 배터리는 수명이 짧고 많은 전해액이 필요하다는 단점도 있다. 경쟁 업체인 삼성SDI는 전고체 배터리, SK이노베이션은 음극재에 흑연 대신 리튬금속을 사용하는 리튬 메탈 방식의 전고체 배터리를 각각 다음 세대 배터리로 정하고 개발 중이다. 한편, 현재 글로벌 전기차 시장 규모는 95만여 대다.

이는 전체 자동차 시장의 2.7% 정도다. 하지만 2040년에는 절반이 넘는 58%의 점유율을 가질 것으로 예상된다. 그만큼 배터리 시장 규모도 커진다. 이에 따라 현대차는 이들 3사와 손잡는 등 적극적인 움직임을 보이고 있다.

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