차세대 배터리에서 주목해야 할 리튬메탈 음극재,

전기차 시장의 확대에 따라 2차전지도 함께 떴습니다. 그리고 현재 대세인 2차전지는 리튬이온 배터리입니다. 

 

그런데 앞으로는 지금의 리튬이온 배터리와는 다른 전고체 배터리가 대세의 자리를 차지할 수도 있습니다. 그리고 전고체 배터리 시대에는 역시 지금의 대세인 흑연 음극재가 아닌 리튬메탈 음극재가 떠오를 가능성이 큽니다. 

 

전고체는 뭐고 리튬메탈 음극재는 왜 뜬다는 걸까요?

 

대개의 리튬이온배터리는 양극재와 음극재, 유기 용매로 구성된 액체 전해질, 분리막으로 이뤄져 있는데요. 액체 전해질은 높은 이온 전도성과 우수한 저온 특성이 있다는 장점이 있습니다. 

 

그런데 액체 전해질은 약점이 있습니다. 

 

전기차와 에너지저장장치 등의 보급을 확대하려면 배터리의 성능도 개선돼야 할텐데요. 배터리의 에너지 밀도를 높이는 것도 중요한 과제입니다. 

 

그런데 에너지 밀도가 높을수록 위험도도 높아집니다. 대표적으로 화재와 폭발 위험이 있죠. 배터리에서 비롯된 화재가 문제가 되는 일들이 종종 언론을 통해 보도됩니다. 데이터 센터, 에너지저장장치 등에서 화재가 큰 문제가 된 경우가 적지 않죠.

 

화재와 폭발이 일어나는 조건을 생각해 볼까요? 

 

먼저 불에 타는 재료가 있어야 할 거고요. 불이 붙으려면 산소가 필요합니다. 그리고 최초로 불이 붙게 되는 사건, 즉 점화가 있어야 합니다. 

 

그런데 리튬이온배터리를 보면 먼저 유기 전해액이 불에 타는 재료가 됩니다. 그리고 산화물 양극물질은 산소를 공급하게 되고요. 어떤 이유에서든 점화 사건이 발생한다면 화재와 폭발로 이어질 환경이 조성된 셈이죠. 

 

이를 해결할 수 있는 가장 간단하면서도 효과적일 수 있는 방안이 액체 전해질을 고체로 바꾸는 것입니다. 고체는 액체처럼 쉽게 연소하지 않기 때문이죠. 

 

일단 전고체 배터리는 액체 전해질이 고체로 교체되면서 분리막이 필요없게 됩니다. 액체가 아니기  때문에 밀봉처리에 공을 들일 필요가 없어지고 셀을 구성하던 부재료도 줄어들게 되고요. 

 

그러다보니 고전압 작동이 가능해지면서 부피는 줄게 됩니다. 부피당 에너지 밀도는 높아지게 되죠. 

 

고체 상태라 모양을 설계하는 자유도도 높아집니다. 전기차 제조업체가 전기차를 설계할 때도 전고체 배터리가 유리한 셈이죠. 

 

그런데 전고체 배터리에서 리튬메탈 음극재는 왜 나오는 걸까요?

 

바로 에너지 밀도 측면에서 기존 음극재보다 경쟁력이 높기 때문입니다. 

 

액체 전해질은 액체이다 보니 전도성이 좋습니다. 반면 고체 전해질은 먼 거리 침투를 못한다는 단점이 있죠. 이 고체 전해질 자체를 개선하는 것도 하나의 과제입니다만 음극재를 통해 보완하는 것도 하나의 방법입니다. 

 

현재 많이 쓰이는 리튬이온배터리에서 음극재는 주로 흑연이 쓰이는데요. 그런데 흑연은 부피를 많이 차지합니다. 

 

반면 리튬메탈 음극재는 부피가 더 작고 에너지 밀도가 높습니다.  

 

리튬메탈 음극재는 안정성이 낮아 현재 액체 전해질이 쓰이는 리튬이온배터리에서는 탑재하기 어렵습니다. 화재 폭발 위험이 크기 때문이죠. 

 

하지만 전고체 배터리에서는 그런 걱정이 줄어들게 되고 용량, 출력, 수명, 안정성에서 가장 완벽한 성능을 낼 수 있는거죠. 

 

물론 아직 숙제는 남아있습니다. 리튬메탈은 충전 과정에서 덴드라이트가 발생한다는 약점이 있는데요. 덴드라이트는 충전 과정에서 음극 표면에 싸이는 결정체로 배터리의 안정성과 수명을 저하시키는 요인입니다. 충방전을 빠르게 진행하면 리튬 덴드라이트가 고체 전해질도 뚫을 수 있다는 연구결과가 발표되고 있다고 합니다. 

 

따라서 이 문제를 해결하는 게 리튬메탈 상용화의 최대 난제라고 합니다.