조원일 KIST 책임연구원 “리튬황전지·리튬금속전지·리튬공기전지 계속 개발로 요구성능 충족”
데일리한국이 21일 개최한 '2030 지속가능한 에너지 시스템 전환을 위한 세미나'에 주제강연을 한 조원일 KIST 에너지융합사업단 책임연구원은 “리튬황전지, 리튬금속전지, 리튬공기전지가 당장의 요구수준의 성능을 보이진 않지만 꾸준히 개발돼 4차 산업혁명을 이끌 핵심 도구가 돼야한다”고 말했다.
조 책임연구원에 따르면 리튬이온전지는 4대 핵심소재인 양극, 음극, 전해액, 분리막이 모두 상용화돼 셀의 상용화가 이뤄진데 반해, 다른 전지 시스템은 4대 핵심소재의 상용화 가능성이 입증되지 않아 특히 리튬공기전지 시스템은 상용화 가능성이 매우 낮은 것으로 평가된다.
리튬금속전지는 리튬이온전지에서 양극, 분리막, 전해질은 그대로 두고 카본 음극을 리튬음국으로 대신하는 전지시스템이다. 리튬금속의 활성이 큰 이유 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다. 충방전 시 일어나는 수지상 조직(덴드라이트)의 생성과 성장을 억제하는 기술 개발이 이 리튬금속전지의 상용화 여부를 결정한다.
리튬 덴드라이트의 생성과 성장을 억제하는 기술은 외부에서 인위적으로 리튬금속표면에 보호층을 만드는 ex-situ 방법과 전지 시스템 내부에서 작동 중에 금속표면에 보호층을 만들어 지게하는 in-sity 방법이 있다.
in-situ 방법은 형성 첨가제를 액체 전해질에 넣어줘 안정하고 고른 SEI 층을 리튬금속 표면에 형성시켜 리튬 덴드라이트를 막는다. ex-situ 방법은 리튬금속 표면에 인위적인 층을 형성시켜 준다.
리튬항전지는 기존 리튬이온전지의 기본원리인 리튬이온이 층상구조를 갖는 금속산화물 양극과 흑연음극으로의 삽입 반응에 의해 결정되는 용량 한계를 뛰어넘어 고가의 전이금속산화물 양극을 대체하는 동시에 비용절감 등을 가져올 수 잇는 새로운 고용량, 저가화 가능 전지시스템이다.
리튬황전지는 리튬금속전지보다 양극과 분리막, 셀 제조에 있어 많은 어려움을 갖고 있다. 일단 2010년 캐나다 워터루 대학 나자르 교수가 나노복합체 형성을 통해 전지성능이 획기적으로 개선할 수 있다는 연구결과를 발표한 이후 새로운 고용량, 친환경성, 저가의 리튬이차전지로 주목받고 있다.
낮은 전기전도도를 해결하기 위해 나노 크기의 다공성 탄소 나노구조체 혹은 금속산화물 구조체로 용융 황을 주입하는 등 방법이 소개됐다.
방전 과정에서 리튬폴리설파이드가 전해지로 용해하는 문제를 해결하기 위해 전해질 개선, 양극 특성 개선, 리튬음극 표면 개선 등 방법이 개발됐다.
전해질을 개선하는 방법은 기능성 액체전해질, 고분자 전해질, 이온 용액 등 새로운 전해질을 사용해 폴리설파이드의 전해질로 용해를 억제하거나 점도 등의 조절을 통해 음극으로의 분산속도를 제어해 셔들반응을 최대한 억제하는 것이다.
양극 특성을 개선하는 방법 가운데 전도성 고분자로 황 입자가 들어있는 양극 구조체의 표면을 코팅하는 방법, 리튬이온이 전도되는 금속산화물로 양극 구조체의 표면을 코팅하는 방법, 리튬폴리설파이드를 다량 흡수할 수 있는 비표면적이 넓고 기공이 큰 다공성 금속산화물을 첨가하는 방법, 탄소 구조체의 표면에 리튬 폴리설파이드를 흡착할 수 있는 소재를 기능체(functional group)을 부착하는 방법, 그래핀 혹은 산화 그래핀 등을 이용해 황 입자를 감싸는 방법 등이 제시됐다.
리튬공기전지는 표준 환원전위가 낮고 에너지 밀도가 높은 리튬금속을 음극으로 사용하고 공기를 양극으로 사용하는 것으로 다른 이차전지나 금속공기전지에 비해서 이론적 에너지 밀도가 kg당 3500Wh로 매우 높다. 리튬과 산소의 산화환원 반응에 의해 생성되는 리튬과산화물에 저장되는 무게당, 부피당 리튬 이온의 양이 많아 더 많은 전하를 저장할 수 있다.
리튬공기전지는 1996년 아브라함과 지앙에 의해 처음 보고된 이후 IBM을 중심으로 배터리 500이라는 프로그램으로 집중 개발됐다.
리튬공기전지의 작동원리는 방전 시 리튬금속의 산화로 리튬이온이 형성되고 생성된 리튬이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하며 이 공기극에서 외부의 산소가 전해질에 용해돼 환원이 된다. 이 환원된 산소가 산화된 리튬이온과 결합해 부도체인 리튬과산화물을 생성한다. 충전 시엔 방전 때 형성된 리튬과산화물이 분해가 돼 리튬이온을 방출하고 산소는 탄소 내부의 기공으로부터 대기 중으로 다시 방출된다.
리튬황전지는 기존 이차전지처럼 일정 전압에서 충방전이 중단되지 않기 때문에 복잡한 전지관리 회로의 설계와 적용이 필요하지만 현재 100회 이상의 기록적인 충방전이 가능하다.
조원일 책임연구원은 “리튬금속전지, 리튬황전지, 리튬공기전지가 리튬이온전지에 비해 에너지밀도가 높은 것으로 알려졌지만 당장 요구수준을 만족시기는 어렵다. 하지만 4차산업의 등장으로 각종 센서류와 전동기의 사용이 증가함에 따라 이차전지의 사용은 배가할 것이므로 고에너지밀도를 갖는 차세대 이차전지의 개발이 중단없이 이뤄져야 한다”고 말했다.