전기차에 대한 수요와 국가 주도하의 환경 정책으로 전기차에 대한 생산량을 늘리고 있습니다. 하지만 전기차의 경우 내연기관차와 달리 충전시간이 길고 1회 주행거리가 아직까지는 부족한 상태입니다. 그래서 아직 전기차를 구매하기를 꺼려하시는 분들이 있는데 주행거리를 그만큼 더 늘릴 수 있게 현재 많은 배터리 연구를 진행 중에 있습니다. 오늘은 그나마 가시적으로 나오고 있는 차세대 배터리에 대해 소개를 드리려고 합니다.
리튬황 배터리
리튬황 배터리란 현재 양극재에 니켈, 코발트와 망간 등이 사용되는 메탈 대신에 황으로 사용되는 배터리를 말합니다. 리튬황 배터리(2600Wh/kg)는 이론적으로 에너지 밀도가 현재 사용되는 리튬이온 전지(570Wh/kg)보다 약 5배가 되는 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 이렇게 이론값이 높은 용량을 가지기에 현재 투자가 이어지고 있으며 황이라는 소재는 우리가 쉽게 구할 수 있는 소재이기 때문에 지금 사용하고 있는 니켈, 코발트 등을 사용하지 않게 되어 가격적인 장점이 있는 배터리입니다. 하지만 현재 수명이 짧으며 황이라는 소재는 금속이 아니기 때문에 전기 전도성이 낮습니다. 그렇기 때문에 전도도를 높이기 위해서 많은 도전재를 사용하게 되어 실제 황의 비중이 줄어들게 됩니다. 그리고 황화합물이 사용되기 때문에 이를 용해시키기 위해 많은 전해액이 주입됩니다. 전해액이 많이 주입되기 때문에 그만큼 황의 비중은 낮아지게 되어 황을 사용하게 되는 장점이 감소하게 되는 아이러니한 상황입니다. 그렇기 때문에 아직 이를 개선시키기 위한 연구개발이 이어지고 있습니다. 리튬황 배터리는 현재 사용되는 니켈, 코발트를 대체할 목표로 개발되는 전지로 지속적으로 상승하고 있는 금속 가격을 낮출 것이라 기대하고 있습니다.
나트륨 전지(해수 전지)
나트륨 전지는 리튬 대신 나트륨(소듐)을 사용한 2차 전지입니다. 나트륨 전지는 지구에서 가장 구하기 쉬운 소재라고 할 수 있습니다. 바다에서 끌어올 수 있는 나트륨이라는 소재 덕분입니다. 나트륨은 보존량이 상당히 풍부하고 낮은 가격이라는 큰 장점이 있습니다. Li은 보존량이 제한적이고 수요는 증가하고 있어 가격이 치솟고 있는 상태이기 때문에 나트륨 전지가 사용화 될 경우 큰 가격적인 개선이 이루어질 것으로 보입니다. 현재 직면하고 있는 문제점은 Na 이온은 Li 이온보다 크기가 약 30~50%나 크고 무겁기 때문에 이온이 양극과 음극 사이를 이동하기가 쉽지 않습니다. 분리막 사이에 Na 이온이 막혀 이동에 문제가 있을 수 있고 Na 이온을 이동시키기 위해 분리막의 기공 크기를 키우게 될 경우 양극이나 음극 소재가 이동하게 되어 더 큰 문제가 발생할 수 있기 때문입니다. 그렇기 때문에 전반적인 전지 설계 및 합성 기술의 개발이 요구되고 있습니다. 나트륨 배터리는 현재 치솟는 리튬 가격을 잡을 수 있고 전세계적으로 리튬 공급/가격에 대한 문제를 최소화할 수 있기 위해 투자가 되고 있는 배터리라고 할 수 있습니다. 성능과 양산에 성공한다면 수요 증가로 인해 우리 식탁의 소금값이 올라갈 수도 있겠네요!(우스갯소리입니다)
CATL에서는 이미 나트륨 전지(소듐 이온 배터리) 1세대를 이미 선보이기도 했습니다. 아직까지 용량이 LFP보다도 낮게 나오고 있는 현황이지만 앞으로는 더 용량을 높일 것이라고 발표하면서 앞으로의 기대감을 불러일으켰습니다.
레독스 흐름 전지(바나듐 전지)
리튬이온 배터리의 경우 전극에서 산화 환원 반응을 통해서 전기 에너지를 얻는데 레독스 흐름 전지의 경우 전극에서 전기에너지를 생성하는 것이 아니라 별도 탱크에 저장된 탱크에 저장된 전해액이 순환하면서 전극 표면에서 발생하는 에너지를 전해질에 저장하게 되는 것입니다. 이름에서도 알 수 있듯이 흐름이 존재하는데 양극과 음극의 전해질이 펌프를 통해 순환되면서 극판에서 산화 환원 반응을 진행하게 되고 여기서 발생된 에너지가 전해액에 보관되는 것입니다.
흔히 뉴스에서 많이 보도되고 있는 바나듐 전지가 이 레독스 흐름 전지의 장점을 살린 배터리 입니다. 이 배터리도 리튬을 대체할 소재로 바나듐을 선택한 것인데 바나듐의 경우 이름은 많이 들어보지는 못했지만 쉽게 구할 수 있는 소재입니다. 이 전지가 주목을 받는 이유는 단연 높은 수명 때문입니다. 배터리는 충방전을 진행할수록 그 성능은 저하됩니다. 리튬이온 배터리의 경우 소형 전지는 500회 충방전에 80%, EV 전지의 경우 약 5000회 충방전에 50-80% 정도 수준을 보증하게 됩니다. 하지만 바나듐을 사용하게 되는 경우 약 8000회의 충방전에 95% 이상의 성능을 유지하게 된다고 합니다. 그리고 핵심 소재인 전해액에 위험물질을 사용하지 않아 화재의 위험성도 매우 낮은 것이 큰 장점입니다. 하지만 이 바나듐 배터리와 레독스 흐름 전지의 경우 부피를 많이 차지한다는 단점이 있습니다. 그래서 바나듐 배터리를 개발한 스탠다드 에너지의 경우에도 ESS로만 제품을 만들 수 있는 것이라고 할 수 있습니다.
국내 기업인 스탠다드 에너지에서 세계 최초 개발을 하면서 주목을 받았고 롯데케미칼의 투자를 받으며 앞으로의 미래에 대해
전고체 전지
현재 사용되고 있는 전지의 경우 전해질을 액체 형태를 사용하고 있습니다. 액체인 경우 Li 이온의 이동이 쉽지만 액체라는 성질로 인해 안정성의 위험을 떨어지는 편입니다. 그래서 새롭게 제안된 배터리는 전해질을 고체로 사용하는 것입니다. 이를 전고체 배터리라고 하는데 액상으로 사용되던 것을 고체로 변환할 경우 구조적인 안정성을 확보하게 됩니다. 또한 리튬이온 전지의 경우 리튬 전자가 전해질과 쉽게 반응하게 되어 *덴드라이트 현상이 많이 발생하게 되는데 고체일 경우 이 현상이 감소될 수 있기 때문입니다. 덴드라이트가 성장하는 것을 줄일 수 있기 때문에 전고체 전지는 안정성을 크게 강화한 배터리라고 볼 수 있습니다. 문제점으로는 말 그대로 고체이기 때문에 Li 이온이 이동하는 데에 방해가 되어 이온의 이동성이 떨어진다는 의미입니다. 그래서 이를 개선할 수 있도록 노력 중에 있습니다.
전고체 배터리는 삼성SDI에서 투자에 박차를 가하고 있습니다. 2027년을 상용화를 목표로 적극적으로 투자를 하고 있어 SDI의 안정성에 대한 목표를 확인할 수 있었습니다.
*덴드라이트 : 배터리에서는 Li 이온이 이동하면서 전극 표면(주로 음극)에서 전해질과 반응하여 비 정상적으로 성장하게 됩니다.
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