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리튬이온배터리 : 반도체 시대를 지나 배터리 시대로

[2019년 노벨화학상 수상 : 리튬이온배터리]
2019년 노벨화학상 수상자로 ‘리튬 이온 배터리’를 개발한 존 구디너프, 스탠리 위팅엄, 요시노 아키라(영문명 : John B.Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino) 라는 세 명의 연구자들이 선정되었다.

2019년 10월 9일 발표 직후, 노벨위원회 위원인 Olof Ramström 교수가 인터뷰를 통해 한 이야기 중 "이 환상적인 배터리 덕분에 사회에 엄청난 극적인 효과를 볼 수 있습니다" 이말은 현재 리튬이온배터리에 사람들이 관심을 가지는 이유를 알려준다고 할 수 있다.

Olof Ramström 교수는 그들이 개발한 세계에서 가장 강력한 충전식 배터리는 휴대폰 및 노트북과 같은 무선 전자 장치의 기초를 마련했으며 전기 자동차에 전력을 공급하는 것부터 저장에 이르기까지 모든 것에 사용되고 있다고 이야기하였다.

이는 리튬이온배터리가 세계적인 재생 가능한 에너지원으로 도약되었고 새로운 재충전 세계의 기초를 만드는데 큰 역할을 했다고할 수 있다.

[자료 1. 리튬원소]출처 : Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2019 : LITHIUM-ION BATTERIES

 

[리튬이온배터리 기본원리]

기본적인 이차전지의 기본 원리는 전기 화학적 산화-환원 반응에 의해 발생하는 이온의 이동으로 전기를 발생시키고 그 반대 과정으로 충전되는 원리이다. 이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 달라 이때 발생되는물질의 고유에너지 차이로 인한 전압차를 이용하는데 리튬이온전지의 경우 양극에 있던 리튬이온이 빠져 나와 전해질을 통해 음극의 가는 충전과 그 반대인 방전이 일어난다.

리튬이차전지는 가역적으로 리튬이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 고분자 전해액을 넣어 리튬이온의 원활한 이동을 가능하게 하며, 양극 및 음극에서 삽입/탈리 될 때 일어나는 전기화학적 산화, 환원반응에 의하여 발생하는 전자가 전기에너지를 생성한다.

[리튬이온배터리 구성요소와 재료개발의 필요성]

전 세계적으로 차세대 에너지원을 우선적으로 확보하기 위한 경쟁 상태에 돌입해 있고 그러한 에너지원으로 인해 국가간 분쟁도 일어나도 있는 실정이다. 현재 리튬이차전지가 전기자동차와 에너지 저장장치로서 각광을 받고 있어 이에 따라 전지를 구성하는 소재 확보가 문제점으로 지적되고 있다.

리튬이차전지 산업은 크게 셀 제조업과 소재산업으로 분류할 수 있다. 셀 제조업은 이차전지를 생산하는 것이며, 소재산업은 리튬이차전지를 이루는 양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해질을 생산하는 것이다.

4대 핵심소재산업에서는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되며 스마트폰, 전기자동차 등 각각의 응용처에서 요 구하는 성능에 맞추어 다양한 성능의 이차전지가 개발되고 있으며 셀 제조업에서는 소형 이차전지의 경우 주로 스마트폰 등 휴대용 전자기기에서 사용되며 중대형 이차전지의 경우 전기자동차 대용량 에너지저장장치 등에 사용되는 이차전지를 생산하고 있다.

하지만 리튬이차전지 원가의 50~60% 가량은 소재가 차지하고 있는 상황에서 리튬이차전지를 생산하는 셀 제조업의 발전발전과 더불어 소재산업에도 충분한 관심과 연구가 필요하다. 소재산업에서는 무엇보다도 배터리의 원료가 되는 리튬, 니켈, 코발트 등에 대한 확보대책과 함께 소재분야에서의 획기적인 재료 개발이 필요할 때다.

배터리 시장조사업체들은 2016년 25GWh였던 글로벌 배터리 시장이 2020년 110GWh로, 2025년 350GWh 이상 성장할 것으로 전망하면서 리튬이온배터리 구조 중 두 가지 부분에 주목하였다 .

1. 배터리 시장 급성장으로 이차전지 소재인 양극재(리튬, 코발트, 니켈, 망간) 및 음극재(흑연)의 가격도 급등하고 있다.

2. 대표적 양극재 소재인 코발트의 경우 2016년 말 이후 가격이 2.5배 이상 급등하였고 음극재인 흑연가격도 꾸준히 상승하고 있다.

 

[양극재]

양극활물질은 전자를 받아 양이온과 함께 자신은 환원되는 물질을 말하며 리튬이온이차전지 전체 재료비의 40%를 차지하는 소재이다. 이 중 시장의 확대가 가장 기대되는 것은 양극재로 이 양극재에서도 시장의 대부분을 차지하고 있는 것이 리튬니켈코발트망간(NCM)이며 우리 기업들이 주목하고 있는 분야이다.

리튬이차전지는 양극과 음극사이에 리튬이온의 이동으로 충전과 방전이 수백 회 이상 반복되며 이 전지를 구성하는 핵심 부품소재 가운데 원가 비중이 35%로 가장 높고 성능에 영향을 많이 주는 것이 양극재이며 이차전지를 생산하는데 가장 핵심 재료로 구성하는 재료에 따라 LCO(리튬코발트), NCM(리튬니켈코발트망간), NCA(리튬니켈코발트알루미늄), LMO(리튬망간), LFP(리튬철인) 등으로 구성되어 있으며 가장 대표적인 소재는 코발트, 니켈, 망간 등이 있다.

 

[음극재]

음극활물질이란 산화시 전자를 방출하는 소재로 리튬이온전지 재료의 10% 정도를 차지하며, 초기 리튬금속전지에서는 리튬을 직접 활용하였지만 위험성 등의 문제로 다른 물질로 대체되었다. 리튬 금속을 대체할 음극재료가 갖추어야 할 요건들은 다음과 같다. [금속 리튬의 전극전위에 근접한 전위를 가져야 하며, 부피당 무게당 에너지 밀도가 높아야 한다. 뛰어난 충방전 안전성을 가지며 고속 충방전에 견딜 수 있어야 한다.}

음극재는 양극재와 함께 전기를 생산하는 주요 재료이나 비중은 약 10%로 양극재에 비해서 상대적으로 재료비에서 차지하는 비중은 낮지만 연간 평균 15~30% 사이의 성장률로 2025년 음극재시장규모는 76억달러까지 성장할 것으로 예상되며 이는 현재 시장규모의 4배 이상이 될 전망이다.

음극재의 에너지 밀도 개선을 위해서 전극재료의 변경, 도포 기술의 향상, 전극 Packing 기술의 향상, 음극의 충방전 효율 향상 등이 있으나 전극재료의 변경을 제외한 수단은 이미 한계에 이른 것으로 판단되고 있다.

사실 더 오래 가고 빨리 충전되는 배터리를 만들려면 전극의 성능이 좋아야 한다. 현재 리튬이온배터리의 경우 음극재로 흑연이 널리 쓰이고 있다. 흔하고 싼 재료인데다 층상 구조라 틈새에 리튬이온이 쉽게 들어갔다가(충전) 나올 수 있고(방전), 이 과정이 반복돼도 안정적이기 때문이다. 다만 에너지 밀도가 높지 않고 충전 속도도 빠르지 않다.

이 약점을 극복하기 위해 유니스트의 조재필 교수 연구팀은 먼저 흑연의 가장자리를 살짝 부식시켜 리튬이온이 좀 더 쉽게 드나들 수 있게 하고, 여기에 실리콘 나노층을 입혀 에너지 밀도를 높였다. 그 결과 기존 흑연 음극에 비해 충전 시간과 속도가 모두 개선된 음극 소재를 개발하는 등 효과적인 전극재료의 변경을 위한 연구들이 진행중이다.

 

[반도체 시대를 지나 배터리 시대로]
2019년 6월 10일~13일 칠레 산티아고에서 개최된 제11회 국제 리튬 컨퍼런스(11th nternational Lithium Supply & Markets Conference)에서는 리튬도 책임광물(Responsible Minerals)이라는 주장과 함께 사회적책임을 강조하였다.

이는 리튬이온배터리의 시대가 도래하며 이제 리튬의 생산과 품질만 생각해서는 안되고, 리튬이 인류생활에 큰 변화를가져올 제품 소재라는 사명감을 가져야한다는 주장인 것이다.

현재 리튬생산의 문제점으로 지적되고 있는 남미 고지대 생산지에서 원주민의 노동력을 착취하는 방식으로 원가절감을추진해서는 안된다는 압박과 무분별한 남미 고지대 용수 사용, 자연환경보호, 고지대 근로조건 준수등에 대한 간접적 압력을 부여한 것으로 해석할 수 있다.

또한 컨퍼런스에서는 2025년 리튬총수요를 821천톤으로 2018년대비 3.3배 성장할 것으로 예측하였다.이런 폭발적인 성장은 리튬수요가 전기자동차 배터리수요성장과 절대적으로 연동관계에 있다는 분석 아래에 예측된 것이다.

대용량배터리 장착 전기자동차 확대추세에 따라 전체리튬수요 중 전기자동차배터리 비중은 2018년 25%에서 2025년 64%로 급성장할 것이며 산업용제품, IT 기기,ESS, E-bike 등의 수요도 꾸준히 성장하나 절대량 측면에서 큰 영향력을 발휘하지는 못할 것으로 전망하고 있다.

현재 리튬이차전지의 최대 수요처는 노트북과 휴대폰과 같은 디지털 디바이스가 주를 이루고 있지만 추후 리튬이차 전지의 응용 분야는 휴대용 정보통신 기기에서 고용량 이차전지인 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 우주 및 항공 분야, 에너지 저장 시스템 등으로 확대되어 지속적인 시장 성장이 예측되고 있다.

결국 우리나라의 리튬이차전지 산업 중 셀 제조업과 소재산업 모두 수요에 맞게 적극적인 투자와 연구개발이 필요한 시점이라고 할 수 있다.
이번 2019년 노벨화학상을 세 명의 교수에게 부여하며 대중들에게 공개된 자료 중 이런 말이 있다.

"LITHIUM-ION BATTERIES : We have yet to see the overall consequences of this development"이 말처럼 지금까지도 엄청난 속도로 발전했지만 더 많은 중요한 발견이 배터리 기술에서 나올 것으로 기대하고 있고 앞으로 우리의 편의 뿐만 아니라 지구 및 지역 환경까지 아우르는 즉, 지구 전체의 지속 가능성에 기여하는 성과를 기대해봐도 좋을 것이다.

 

R.E.F 15기
김 상 재
sj-kim0720@hanmail.net

R.E.F 15기 김상재  kecenter@hanmail.net

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