“리튬이온 전지 시장 잡아라”...차세대 이차전지 개발 활발

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입력 2017.01.28 13:12 | 수정 2017.01.30 03:30
2차전지 시장이 빠르게 성장하고 있다. 스마트 디바이스와 전기 자동차 시장이 확대되면서 핵심 부품인 2차전지 시장도 동반 확대하는 것이다. 현재까지 2차전지 시장은 리튬이온 전지가 대세다. 하지만 리튬이온 전지는 시장에 등장한지 20여년이 지난 데다가 폭발 위험성, 낮은 내충격성 등의 이유로 대체제 마련이 필요하다는 지적을 받았다. 리튬이온 전지를 잇는 차세대 이차전지 개발이 활발해진 이유다.

리튬이온 전지를 이을 차세대 이차전지 개발이 활발하게 이어지고 있다. / 조선일보DB
2차전지 시장조사 기관인 SNE리서치가 최근 발표한 자료를 보면 리튬이온 시장은 2016년 159억달러(약18조7600억원)에서 2020년 543억달러(약 64조740억원)로 성장할 전망이다.

리튬이온 전지 시장이 빠르게 성장할 것으로 예상되는 이유는 그 사용처가 꾸준히 확대하기 때문이다.

리튬이온 전지는 이차전지의 일종으로 에너지 밀도가 높고 배터리 용량 기억 효과가 없으며 사용하지 않을 때도 자가방전이 일어나는 정도가 적다. 간헐적이고 반복적인 충전에도 성능의 감소가 없을뿐 아니라, 셀당 전압은 니켈계 전지보다 3배 이상 높다. 리튬이온 전지 하나가 니켈계 전지 3개를 대체할 수 있다.

리튬이온 전지는 이런 장점 덕분에 스마트폰과 PC, 전기차, 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)에 사용되며, 리튬이온 전지를 사용하는 기기 시장은 매년 빠르게 증가하는 추세다.

하지만 리튬이온 전지가 시장에 등장한지 20여년이 지난데다가 여전히 안정성의 문제 를 갖고 있어 시장에서는 이를 대체할 수 있는 이차전지 개발을 요구하고 있다. 리튬이온 전지는 액체 또는 겔타입 전해질을 쓰기 때문에 특성상 발화 및 폭발의 위험성, 낮은 내충격성 등 안전성에 대한 태생적인 한계를 가지고 있다.

또 모바일 시장에서는 모바일 시장에서는 새로운 폼팩터에 대한 소비자들의 요구가 증가하는데, 리튬이온 전지로는 그 요구를 충족시킬 수 없다는 점도 대체제 개발 필요성의 이유로 꼽힌다. 뿐만 아니라 자동차 시장은 차량 시스템 성능과 안전성 개선을 이유로 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지를 필요로 하고 있다. 이 외에도 사물인터넷(IoT), 멤스(MEMS, Micro Electirc Mechanical System) 등의 초소형 전자기기의 등장과 이를 구동하기 위한 에너지원의 개발 필요성도 차세대 이차전지 개발을 부추기고 있다.

◆ 다양한 기술 개발 되는데...한국 '골든타임' 놓칠라

세계 기업들과 대학, 연구소 등은 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 나트륨/마그네슘 이온 전지, 전고체전지 등 리튬이온 전지의 뒤를 이을 다양한 후보 기술들을 개발하고 있다.

차세대 2차전지별 특징. / LG경제연구원 제공
리튬-황 전지와 리튬-공기 전지는 반복적인 충방전을 위한 매개체로 리튬이온을 쓴다는 점은 리튬이온 전지와 같다. 하지만 리튬-황 전지는 양극재와 음극재를 각각 황과 리튬을 사용해서 리튬이온 전지와 비교해 3배 이상의 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다. 특히 저가인 황을 사용하기 때문에 전지의 제조원가를 낮출 수 있다.

리튬-공기 전지는 양극재로 공기(산소)를 사용하며 음극재로 리튬을 이용한다. 구조가 단순하고 이론적으로 리튬이온 전지의 5~10배 정도의 에너지밀도를 구현할 수 있어 저장할 수 있는 에너지 용량을 대폭 늘릴 수 있다. 또 리튬이온 전지 보다 싸고 가볍게 만들 수 있다는 잠재력이 장점이다.

나트륨·마그네슘 이온 전지는 리튬 대신 나트륨이나 마그네슘을 음극재로 사용한다. 이를 통해 전지의 안전성을 확보했을 뿐 아니라 값싼 원재료를 사용할 수 있다는 점이 장점으로 꼽힌다. 특히 나트륨/마그네슘 이온 전지는 가격변동성과 공급안정성에 취약한 리튬이온 전
지의 약점을 해결할 수 있다.

하지만 나트륨·마그네슘 전지는 기존 리튬이 아닌 새로운 금속이온을 활용하는 전지이기 때문에, 안전성과 성능의 신뢰성이 충분히 쌓이지 않았다는 것은 단점이다.

전고체전지는 리튬이온 전지를 이을 가장 유력한 2차전지로 꼽힌다. 전고체전지는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것으로 기존 리튬이온전지의 액체 전해질이 가지고 있는 발화, 폭발 등의 위험성을 상당히 낮출 수 있기 때문이다.

특히 전고체전지는 외부 충격에 의해 기기가 파손되더라도 전해질의 누액이나 폭발의 위험성을 획기적으로 줄일 수 있다. 고온이나 고전압의 사용 환경에서도 전지의 성능 저하를 막을 수 있다. 또한 기존 리튬이온전지 보다 고용량과 경량화에 유리한 측면이 있어서 전자제품을 비롯해 전기차에도 채용될 가능성이 높다.

글로벌 기업과 학교, 연구소가 차세대 이차전지 개발에 열을 올리고 있는 반면 한국은 다소 뒤쳐져 있다는 평가다.

박철완 박사(전 한국전자부품연구원 차세대 전지연구센터장)는 "한국의 차세대 이차전지 연구 개발은 10년 전보다도 퇴보했다"며 "기초 없이 차세대와 첨단 연구를 하는 것은 불가능하기 때문에 지금이라도 심각하게 원점에서부터 재검토를 해야 한다"고 강조했다.

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