조원일-김문석 KIST 연구팀, 드론용 300사이클, 330Wh/kg 리튬금속이온전지 개발
리튬금속 사용한 음극재, 카보네이트계 전해질, 니켈 80%의 고니켈계 양극재 ‘주목’
KIST 주도하에 KIST-KAIST-한밭대 공동개발, 올해 하반기 실제 드론에 장착 예정
  • KIST, 주도하에 KAIST와 한밭대가 공동개발한 NCM811 리튬금속이온전지. 사진=KIST 제공
[데일리한국 안희민 기자] 현행 리튬이온전지(LIB)보다 에너지밀도가 30% 가량 개선된 차세대 리튬전지인 리튬금속이온전지가 KIST 연구진에 의해 개발돼 시연됐다. 이 전지가 상용화되면 현행 리튬이온전지 중심의 소형 IT 전지시장이 크나큰 지각변동을 겪게 될 전망이다.

조원일 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원과 김문석 연구원 등 KIST 연구팀은 리튬과 니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10% 조성의 양극재와 리튬금속 음극재를 사용해 충방전 300사이클, 에너지밀도 330Wh/kg를 실현한 리튬금속이온전지를 개발해 시제품을 시연하고 개발성과를 대전 항공우주연구원에서 열린 무인이동체사업단 발표회에서 발표했다고 23일 밝혔다.

현재 전기차나 카메라 등에 가장 많이 쓰이는 전지는 리튬이온전지로 파우치형 리튬폴리머전지의 경우 230Wh/kg, 18650 원통형 리튬이온전지의 경우 260Wh/kg 정도의 에너지밀도를 갖고 있는 것으로 알려졌다. 파우치형 리튬폴리머전지나 원통형 리튬이온전지는 리튬이온전지의 일종이다.

리튬이온전지는 흑연계 음극재와 리튬니켈코발트망간(NCM), 리튬니켈코발트알루미늄(NCA) 등을 양극재로 사용한다. KIST 연구팀이 선보인 리튬금속이온전지는 리튬메탈전지의 일종으로 동종의 리튬황전지, 리튬공기전지와 같이 음극재가 리튬금속이라는 특징이 있다.

충방전 사이클의 경우 학술적 의미와 상용화 제품의 기준이 달라 수평비교하기 어렵지만 원통형 리튬이온전지의 경우 학술적 의미의 수명이 500사이클인 것으로 알려졌다.

따라서 이번 KIST 연구팀이 공개한 NCM811 리튬금속이온전지의 성능은 괄목할만한 것이다.

특히 무인이동체(드론)에 삽입될 수 있도록 개발돼 향후 리튬이온전지 중심의 RC카, 드론, 카메라 등 소형 IT 제품시장이 리튬금속이온전지로 이동할 수도 있음을 보여주고 있다.

리튬이온전지를 활용한 에너지저장장치(ESS)로 유명한 전지전문기업 코캄이 2000년대 초반 소니가 원천기술을 가진 리튬폴리머전지를 소형화해 소형 IT 제품에 공급하며 성장한 점을 상기해 볼 때 소형 IT 제품 시장의 판도를 바꿀 새로운 형식의 전지가 20년이 채 지나지 않은 현재 ‘리튬금속이온전지’이라는 이름을 달고 출현했다는 점은 산업적으로도 의미가 깊다.

특히 KIST 연구팀의 리튬금속이온전지는 니켈이 80%며 고가인 코발트 성분이 10% 밖에 사용되지 않아 최근 보석류인 코발트 품귀현상에서도 능동적으로 대응할 수 있게 됐다.

리튬금속이온전지는 음극재를 리튬금속을 사용해 에너지밀도를 높였다.

기존 리튬이온전지는 인조흑연이나 천연흑연을 사용했다. 리튬이온은 리튬이온전지에서 전자를 실어 나르는 역할을 하기 때문에 음극재를 리튬을 사용했다는 점은 당연히 성능향상으로 귀결된다.

물론 음극재를 리튬금속을 썼다는 이유만으로 리튬금속이온전지가 완성되지 않는다. 리튬금속전지는 리튬이온전지와 다른 전해질을 사용한다.

전지개발을 주도한 김문석 전문연구원은 “리튬금속이온전지에서 전해질은 중요한 위치를 차지한다”며 “전해질은 리튬이온이 오고가는 중요한 매개체이기 때문에 전지의 특성에 따라 전해질도 맞춤형으로 제작해야 성능을 향상시킬 수 있다”고 말했다.

일단 KIST 연구팀은 NCM811 리튬금속이온전지의 전해질로 독자적으로 개발한 카보네이트계를 사용한 것으로 알려졌다.

리튬메탈전지가 기존 리튬이온전지와 다른 점이 많다는 점은 통칭 리튬메탈전지로 불리는 리튬금속전지, 리튬황전지, 리튬공기전지의 상용화가 아직 멀었다는 관측을 낳는 원인이 되기도 한다.

업계 관계자는 “KIST 연구팀의 이번 성과가 학술적 의미에서 괄목할만한 것이지만 상용화까지 얼마나 될지 궁금하다”며 “차세대전지인 리튬메탈전지의 상용화 시점이 25년 후로 보고 있다”고 말했다.

이와 관련 연구진을 이끌고 있는 조원일 KIST 책임연구원은 상용화 시점이 5년 안쪽이라고 자신했다.

조 책임연구원은 “상용화 일정은 전지 제조 기업이 이윤확보 시점을 어떻게 판단하느냐에 달린 것이기 때문에 구체적인 시간을 말하기 어렵지만 이번에 공개된 KIST의 NCM811 리튬금속이온전지가 5년 내 상용화될 수 있다고 본다”고 말했다.

과학기술정보통신부 산하 무인이동체사업단은 드론을 위시한 무인이동체 개발과 병행해 무인이동체의 성능을 향상시키는 차세대동력원 개발을 지원해왔다.

KIST 연구진의 NCM811 리튬금속이온전지는 23~25일까지 대전 소재 한국항공우주연구원에서 개최되는 4차 무인이동체사업단 통합워크샵에서 전시되고 있다.

NCM811 리튬금속이온전지는 KIST의 주도하에 KAIST와 한밭대가 개발하고 있으며 올해 하반기 실제로 무인이동체에 장착될 계획으로 알려졌다.
  • NCM811 리튬금속이온전지 개발을 주도한 KIST 연구팀. 왼쪽 조원일 책임연구원과 김문석 전문연구원. 사진=안희민 기자
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입력시간 : 2018/04/23 17:23:28 수정시간 : 2018/04/23 18:36:49
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