우리는 왜 리튬과 배터리에 집중하는가?
대학생신재생에너지기자단 21기 오서영
근 몇 년 전부터 전기차의 중요성이 커지며 전기차에 사용되는 배터리, 그 중에서도 리튬 배터리가 각광받고 있다. 왜 많은 원소 중 리튬일까?
리튬은 원소 번호 3번으로 반응성이 매우 높은 원소이다. 높은 반응성 때문에 원소 형태로 자연계에 존재할 수 없고 순수한 리튬을 보관할 때는 공기나 물과의 반응을 막기 위해 기름 속에 보관해야 한다. 게임 ‘메이플스토리’에서 리튬은 ‘니할 사막’라는 사막 지역에서만 만들어지는 특별한 광석이라고 설명하며 은백색의 광물 모양으로 표현하였다. 실제로는 사막에서만 존재하는 것은 아니나 남미 볼리비아의 우유니 사막에 전세계 매쟝량의 50%~70%이 분포해 있어 세계 1위의 리튬 매장지로 알려져 있다.
[자료 1. 리튬]
출처 : 네이버 지식백과
리튬이 배터리의 주요 원료로 사용된 이유는 바로 높은 반응성에 있다. 리튬은 가장 가벼운 금속 원자이기에 외각의 전자를 방출하기 쉽다. 즉, 고 에너지 밀도의 배터리 재료로 알맞다는 것을 의미한다. 배터리란 폭발을 하지 않으면서 원하는 유용한 결과를 얻기 위한 높은 에너지의 화학반응이기에 반응성이 높은 리튬이 적절했던 것이다.
언뜻 보기에 전기자동차는 최근에서야 발명된 것으로 보인다. 그러나 그렇지 않다. 오히려 전기 자동차가 내연기관(가솔린) 자동차보다 약 50년 앞서 발명되었다. 1834년 스코틀랜드의 로버트 앤더슨이 최초의 전기 마차를 발명하였고 프랑스의 가스통 플랑테가 축전기를 개발하며 전기차의 대중화를 이끌었다. 그래서 자동차 시대의 초기에는 전기, 가솔린 그리고 증기로 움직이는 자동차까지 다양한 자동차가 도로에 혼재되어 있었다. 따라서 이 3가지 자동차들을 개선하려는 다양한 노력들이 경쟁하였고 그 경쟁에서 승리한 가솔린 자동차가 근 100년간 자동차 시장을 장악했던 것이다.
[자료 2. 로버트 앤더슨의 전기 자동차]
출처 : 중앙포토
리튬 이온 배터리의 원리 및 구조
그러나 환경에 관심을 많이 가지는 최근 전기차는 다시 각광받고 있다. 그 결과 전기차에 사용되는 리튬을 이용한 배터리들 또한 각광받고 있다. 그렇다면 리튬 배터리는 어떠한 원리로 작동하는 것일까? 조금 더 정확하게는 리튬이온 배터리라고 할 수 있겠다. 리튬이온 배터리는 양극, 전해질, 음극 그리고 분리막 4가지 부분으로 구분할 수 있다. 양극에는 리튬이, 음극에는 흑연이 주재료로 사용된다. 전압을 걸어주어 리튬에서 분리된 전자가 양극에서 전해질을 통해 음극으로 이동하면 충전, 반대로 음극에서 전해질을 통해 양극으로 이동하면 방전이라고 한다. 이 때문에 좋은 전해질은 이온전도도가 높아야 한다. 이온전도도가 높아야 전자가 이동하기 쉽기 때문이다. 또한 안전을 위해서는 전기 화학적 안정성과 발화점이 높은 것이 좋다. 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하고 전자만을 이동시키는 역할을 한다. 주로 PE나 PP가 사용되며 전기 절연성과 열 안정성이 높아야 한다.
[자료 3. 리튬 이온 배터리의 구조]
출처 : 삼성 SDI
현재 사용 중인 배터리: NCM 배터리와 LFP 배터리
현재 많이 사용되고 개발되는 리튬 배터리는 크게 삼원계 배터리와 LFP 배터리로 나눌 수 있다. 두 배터리는 모두 양극에 리튬 외에 어떤 재료가 사용되는지로 구분할 수 있다.
먼저 삼원계 배터리는 이름에서 알 수 있듯 3가지의 원소를 사용한 것으로 대표적으로 NCM 배터리가 있다. NCM 배터리는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn)를 리튬과 함께 양극재로 사용한 것이다. LFP 배터리는 리튬인산철(Li- FePO4)이 양극재로 사용되는 배터리를 의미한다. 현재 LG, 삼성, SK 등 한국업체들은 주로 NCM배터리를 개발하고 있으며 중국이나 테슬라는 LFP를 선택한 모습을 보이고 있다. 그렇다면 이들의 장점과 단점을 알아보자.
먼저 NCM 배터리는 높은 에너지 밀도를 자랑한다. 에너지 밀도란 중량당, 부피당 가진 에너지의 양을 의미하는데 이 점이 NCM 배터리의 매우 큰 강점이다. 같은 무게에서 LFP 배터리는 NCM배터리에 대해 60~70%정도 수준이다. 이는 같은 거리를 이동하는 능력을 위해서 LFP 배터리는 훨씬 무겁고 큰 배터리를 차에 실어야 한다는 것을 뜻한다. 또한 소재의 95% 이상 재활용이 가능하다. 반면 NCM 배터리의 단점은 값이 비싼 원소를 사용하기에 가격이 높다는 점이다. 그래서 값이 비싼 코발트의 함량을 줄이고 에너지 밀도를 높이는 니켈 함량을 높이는 방향을 적용한 NCM 712, NCM 811 등이 개발되어 사용되고 있기도 하다. 또한 안정성이 LFP에 비해 취약하다.
LFP는 NCM의 장단점에 대조된 장단점을 가지고 있다. 값싼 철을 양극재로 이용하기에 가격이 저렴하고 화학적 안정성이 높아 열화 현상이 적어 폭발의 가능성이 낮다. 그러나 에너지 밀도가 낮고 리튬인산철의 결정구조인 올리빈 구조가 예민하기에 공정에 있어 비용이 지출되어 현재 단계에서는 실제 배터리 제조에 있어 가격적 이득이 크지 않다.
차세대 배터리: 리튬 황 배터리와 리튬 에어 배터리
현재 사용되고 있는 배터리들 외에 차세대 배터리로 주목받는 배터리에 대해서도 알아보자.
먼저 리튬 황 배터리는 양극재로 황(S)을 사용한다. 이 점이 값 비싼 금속을 양극재로 사용하는 NCM 배터리에 비한 장점으로 작용한다. 또한, 이론적으로 리튬 이온 배터리에 비해 약 5배 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 배터리로 각광을 받는다. 그러나 아직 넘어야 할 문제점들이 존재한다. 리튬과 황이 만나면 황화리튬, 일명 ‘리튬폴리설파이드(Lithium Polysulfides)’라는 중간 물질이 생성된다. 이 물질은 전해질에 대해 높은 용해도를 가지고 있는데 이 점이 문제점으로 작용하게 된다. 양극의 황의 양이 지속적으로 감소하게 되는 것이다. 따라서 배터리의 수명 및 안전성의 문제를 가지고 오게 된다.
지난 4월, 한국전기 연구원(이하 KERI)의 ‘저배용 플렉시블 고에너지 밀도 리튬 황 배터리’에 대한 연구 결과가 높은 수준으로 인정받아 독일 와일리(Wiley) 출판사의 재료분야 세계적 학술지인 ‘스몰(Small)의 표지 논문으로 선정되었다. KERI는 리튬 황 배터리의 문제점을 보완하기 위해 활성탄과 인(P)을 사용하였다. 활성탄과 인 모두 흡착성이 높은 물질이다. 활성탄은 분리막 코팅 소재로 이용해 리튬폴리설파이드를 물리적으로 잡아내고, 인은 탄소재에 도핑하여 화학적으로 잡아내었다. 또한, 양극에 전기전도성이 높고 유연한 탄소나노튜브를 이용하여 에너지 밀도는 향상시키고 굽히거나 휘어질 수 있는(flexible) 성질까지 가질 수 있게 하였다. 그 결과 KERI 가 발표한 리튬황 배터리는 400Wh/kg이라는 세계 최고 수준의 에너지 밀도(NCM 배터리의 에너지 밀도 대략 200~300Wh/kg)와 기존의 리튬 황 배터리에 비해 긴 수명과 높은 안전성을 가지고 있다.
[자료 4. 국제 학술지 스몰(small) 표지논문으로 선정된 한국전기연구원의 리튬황배터리 연구결과]
출처 : 한국전기 연구원
다음으로 리튬 에어 배터리에 대해 알아보자. 리튬 에어 배터리는 이름에서 예상할 수 있듯 리튬과 산소를 이용한 배터리로 충전과 방전 과정에서의 산화물의 결합과 분해를 통해 에너지를 생성한다. 기존의 리튬 이온 배터리보다 에너지 출력(kWh)가 2배 정도 높고, 시간대비 에너지 생성 비용이 5배 정도 저렴하다. 그러나 가지고 있는 문제점의 해결이 어려워 상용화가 늦을 것으로 예상된다. 음극의 리튬과 양극의 산소가 반응하여 과산화리튬이 생성되는데 이 생성물이 충전과 방전 사이클에서 문제를 일으키기 때문에 수명에 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 양극에서 산소와의 반응성을 높이고 생성된 과산화리튬을 처리하는 기술이 필요하다. 또한, 공기중에서 질소, 이산화탄소 등 다른 기체를 여과하고 산소만 사용하는 기술, 이때 얻어진 산소를 지속적으로 공급하기 위한 장치 등 또한 아직 많은 연구가 필요한 기술이다.
결론
지금까지 전기차가 다시 각광받으며 함께 각광받고 있는 배터리, 그 중에서도 리튬을 이용한 배터리에 대해 살펴보았다. 리튬이 선택받은 이유부터 현재 사용되는 리튬 배터리, 그리고 차세대 리튬 배터리까지 알아보았다. 환경을 생각하는 전기차의 지속적인 발전을 위해서라도 배터리를 향한 연구와 관심이 지속 되어야 할 것이다.
배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기
1. "배터리. 어디까지 왔으며 어디로 갈 것인가?", 20기 이주선,황지영 , 21기 홍서현, 김수현, 박도현, https://renewableenergyfollowers.org/3621
2. "전기차, 정말 친환경적일까?", 19기 문서영, 19기 서명근, https://renewableenergyfollowers.org/3549
참고문헌
[서론]
1) "리튬", 네이버 지식백과, 2015, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3566564&cid=60226&categoryId=60226
2) Fletcher (한원철 역), “슈퍼배터리와 전기자동차 이야기”, 성안당, 2015
[본론]
1) Battery LAB, Battery inside(LG 에너지 솔루션), "LFP 배터리는 대세가 될 수 있을까?", 2022.02.03, https://inside.lgensol.com/category/news/
2) Huggins (강기석 역), “배터리 : 재료과학의 고급이해”, 홍릉과학, 2011
3) 한국전기연구원, "차세대 리튬황배터리 난제 풀고 상용화 앞당겨", 2022.04.22
4)조현규, "리튬 이온 배터리 다음은 뭘까?", 2021.03.08, https://auto.v.daum.net/v/crKtWdLHMa
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