[전문가 칼럼] 차세대 전지 3총사 연구와 산업 전망

| 왜 지금 차세대 전지의 필요성을 역설하나?

전 세계 산업계는 탄소중립을 실현하기 위해 에너지효율을 높이고 비용을 낮추는 방향으로 분주하게 움직이고 있다. 이에 대한 대응으로 내연기관 자동차 시장이 전기차로 빠르게 이동하면서 전기차용 이차전지의 수요도 폭발적으로 증가해 2030년까지 연평균 25.2%의 높은 성장률이 예상된다. 한국을 비롯한 중국, 일본이 글로벌 이차전지 시장의 95%(2020년 기준)를 차지하고 있으나 시장확보를 위한 이차전지 주도권 경쟁은 앞으로 더욱 치열해질 것은 자명하다. 

현재 이차전지 시장은 높은 에너지밀도, 높은 전압, 친환경성, 비메모리 효과, 짧은 충전시간 대비 높은 수명의 장점으로 인해 리튬이온전지가 주도하고 있다. 전기차뿐만 아니라 휴대용기기, 항공, 우주, 에너지저장시스템(ESS), 로봇처럼 사용되지 않는 분야를 찾기 어려울 만큼 광범위하게 사용된다. 그렇다면 왜 지금 차세대 전지의 필요성을 역설하고 상용화하기 위해 투자를 계획하고 있는 것일까? 

리튬이온전지는 다양한 활용을 가능하게 한 장점이 있지만, 화재의 위험성으로 인한 열적 안전성에 대한 심각한 우려가 제기됐다. 2016년 이후 매년 발생하고 있는 휴대전화 폭발과 태양광·풍력 발전설비의 ESS 화재의 원인으로 리튬이온전지가 지목됐으며, 용량 부족 문제는 리튬이온전지가 갖는 태생적 한계로 지적되고 있다. 이런 리튬이온전지의 기술적 한계를 뛰어넘기 위한 노력과 함께 새로운 이차전지를 개발하기 위한 접근이 시작됐다. 그중 대표적인 대상이 바로 차세대 전지 3총사인 전고체 전지, 리튬금속 전지와 리튬황 전지이다.

| 전고체 전지, 리튬금속 전지, 리튬황 전지의 장단점

전고체 전지는 기존 리튬이온전지에 들어가는 액체전해액을 고체로 대체한 전지이다. 액체 전해질은 사용 시 온도변화로 인해 전지가 팽창하거나 외부 충격에 의해 샐 수 있어 전지의 손상으로 인한 화재 위험성이 매우 높다. 이에 반해 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 화재 발생 가능성이 낮아 전기차와 군사용에 적합한 안전성이 극대화된 전지이다. 특히 국내 배터리 3사인 LG에너지솔루션, SK온, 삼성SDI는 시장에서 경쟁 우위를 점하기 위해 황화물계 및 산화물계 전고체 전지 개발에 집중하고 있으며 2027년까지 상용화를 목표로 하고 있다. 그러나 전고체 전지는 계면 불안정성, 낮은 충전량처럼 양산화를 위해서는 해결해야 할 과제를 여전히 안고 있다. 

리튬금속 전지는 음극으로 리튬금속을 사용하는 전지를 말한다. 기존 리튬이온전지의 음극으로 사용하는 흑연은 탄소 시트 사이에 리튬 이온을 보관하는 역할을 할 뿐 에너지를 저장하거나 전류 자체도 생성하지 않아 불필요한 중량에 불과했다. 리튬금속 전지의 음극인 리튬은 거의 모든 전류를 생성하는 원자로 채울 수 있고 동일한 무게와 부피의 흑연 음극 전지보다 50% 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 높은 에너지밀도를 얻을 수 있다. 이런 특징으로 인해 전기차용 이차전지로서 2028년까지 400Wh/kg급 상용화 기술을 목표로 개발이 진행되고 있다. 그러나 리튬금속은 반응성이 매우 높아 액체 전해질과 계속 접촉할 경우 전지의 분해 및 연소 반응을 유발하고, 덴드라이트라는 바늘 모양 구조가 형성되어 전지를 단락시키거나 화재를 일으킬 수 있어 이를 해결하기 위한 관련 연구가 집중적으로 이루어지고 있다.

리튬황 전지는 양극 소재로 유황, 음극 소재로 리튬금속을 사용하는 전지로 기존의 리튬이온전지보다 약 8배 높은 에너지밀도를 갖는다. 특히 황은 자연에서 원소 상태로 발견되는 몇 안 되는 원소로서 지각에서 7번째로 많이 존재하기 때문에 가격경쟁력을 갖춘 소재이다. 낮은 가격의 고용량 배터리를 구현할 수 있기 때문에 항공 및 드론용 경량 차세대 전지로 관심을 받고 있다. 국내에서는 LG에너지솔루션이 2025년까지 상용화할 계획이다. 그러나 리튬황 전지는 충전과 방전을 반복하면 황산화물이 생성되어 성능을 저하시키기 때문에 짧은 수명 문제가 상용화의 걸림돌이 되고 있다.

최근 경상국립대학교에서는 바이오 고분자 바인더를 적용해 불에 타지 않는 고성능 리튬황 전지를 개발했다. 바인더는 전극을 이루는 활물질과 도전재를 집전체에 결합시켜 전극을 안정화하는 역할을 한다. 지금까지 바인더는 기존의 리튬이온전지에서 사용하던 불소계 고분자인 PVDF를 리튬황 전지에도 그대로 사용했는데, 이는 작동 메커니즘이 다른 리튬황 전지에는 적합하지 않았다. 연구팀이 개발한 바이오 바인더는 리튬황 전지가 갖는 황산화물 용출 및 부피 팽창 문제를 비약적으로 극복했다. 동시에 배터리의 화재 위험성을 차단함으로써 성능과 안전성이라는 두 마리 토끼를 한 번에 잡은 우수한 연구로 평가받고 있다. 특히 개발된 전극은 180˚ 구부려도 작동되며 불에 타지 않는 특성을 보여 극한 상황에서도 작동 가능한 획기적인 연구 결과로 주목받고 있다. 

| “향후 10년간 이차전지산업에서 10배 이상의 새로운 직업 생길 것”

이차전지 시장의 밸류 체인은 크게 생산단계와 사용단계로 나뉜다. 생산단계는 전지의 소재생산, 셀 생산, 모듈 생산 및 팩 조립이며, 사용단계는 전지의 장착, 사용 및 재사용으로 구성된다. 이와 같이 이차전지 분야에 기여하기 위해서는 수준 높은 연구 및 설계 능력이 필요하며, 앞으로 차세대 전지를 상용화하기 위해 전문인력의 수급은 국내 이차전지 시장의 새로운 도약에 중요한 이슈가 될 것이다.   

2021년 ‘배터리 리포트(Battery Report)’에 따르면, 향후 10년간 전기차 밸류 체인 글로벌 이차전지산업에서 약 10배 이상의 새로운 직업이 생길 것으로 예상되며, 1000만 명 이상의 고용이 발생할 것으로 예측된다. 국내에서는 이차전지 연구를 위한 고급인력이 3000명 정도 부족한 것으로 조사됐다. 그러나 이차전지 전문 인력 수요가 증가하는 것에 비해, 국내 이차전지를 전공한 인력의 공급은 매우 불충분하다. 2000년부터 2021년까지 22년간 국내 이차전지 분야 석사는 2628명, 박사는 864명이 배출됐다. 2021년에는 석사 254명, 박사 113명이 배출되어 총 367명으로 매년 조금씩 증가하는 추세지만, 여전히 부족한 실정이다. 이에 인력을 양성하기 위해 배터리 3사는 대학들과 배터리 학과를 설립하며 적극적으로 나서고 있다. 

한편 국내 대기업 2사에 따르면, 신입 박사의 연봉은 최대 1억 원이며, 학·석사 경력직의 연봉은 8,000만 원인 것으로 조사됐다. 이는 2019년 국내의 평균 연봉 3,740만 원과 비교해 매우 높은 수준이다. 이차전지 시장은 발전 가능성이 높아 인력에 대한 산업계 및 학계의 수요 증가는 분명해 보인다. 재료공학, 화학, 화공 및 에너지공학 관련 배경지식을 갖추고 있다면 차세대 전지 개발에 직접 도전해보라. 그리고 이차전지가 수많은 분야에 적용되고 있다는 사실을 기억한다면 어떤 배경지식을 갖추고 있든 이차전지 시장에서는 필요한 인재가 될 수 있다.

글_정현영 경상국립대학교 에너지공학과 교수