크기 줄이고 용량 늘린 ‘초고밀도’ 차세대 전지 ‘리튬금속’ 전지의 현재와 미래

 

안녕하십니까, 연세대학교 화공생명공학과 이상영 교수입니다. 오늘 제가 드릴 말씀은 2차 전지 분야 중에서도 차세대 전지 소재로 주목받고 있는 리튬금속과 관련된 내용입니다. 2차 전지 소재 중에서 리튬금속은 음극재로 사용이 됩니다. 그래서 리튬금속 음극이라는 표현을 많이 사용합니다. 오늘은 리튬금속 음극이 2차 전지에 어떤 식으로 사용되고 있고 또 어떤 문제를 겪고 있으며, 향후 어떻게 진보가 될 것인지에 대해서 말씀드려보도록 하겠습니다.

01 리튬금속 전지 왜 주목 받을까?

제가 준비한 자료 중에 모식도를 하나 가지고 왔습니다. 일반 금속과 리튬금속을 사용했을 경우 주로 리튬금속 표면과 전해액이라고 하는 것과 계면에서 굉장히 불안정한 거동을 보이기 때문에 여러 문제가 터지고, 결국은 그 문제를 어떻게 극복하느냐에 따라서 리튬금속을 안정하게 돌릴 수 있는지를 보여주는 그림이라고 하겠습니다.

먼저 여러분들 잘 아시겠지만 2차 전지가 어떻게 발전되고 있는지를 보게 되면, 제가 예전에 근무했던 LG화학 시절에는 모바일폰과 노트북용 전지로 사용이 되었습니다. 최근에 비약적으로 성장하는 이유는 전기자동차 때문입니다. 전기자동차용 배터리로 사용되면서 비약적인 성장을 거두고 있습니다. 지금도 가장 큰 화두는 전기차용 배터리라고 볼 수 있겠습니다. 그러면 그 다음을 생각을 해보면 소위 말하는 항공, UAM이라고 대표되는 항공과 관련된 시장이 또 한 가지로 크게 다가오고 있다고 볼 수 있겠습니다. 지금은 우리가 전기차 얘기를 하고 있지만 사실 미래를 보게 되면 무한한 정도의 응용 범위를 갖고 있다고 볼 수 있겠습니다. 그래서 2차 전지 분야의 성장은 여러분들이 생각하는 것 이상으로 크게 발전할 수 있을 거라고 생각을 합니다. 다시 본론으로 돌아와서 “도대체 왜 리튬금속 전지에 대해서 관심을 가져야 될까?”에 대한 내용입니다. 이 자료를 보시면 가장 쉽게 볼 수 있을 것 같은데 전기차 관점에서 전기차의 작동 거리, 드라이빙 레인지(Driving range)라고 합니다. 마일리지와 전기차용 배터리 용량과의 관계를 보여주는 그림입니다. 소위 말하는 1세대 전기차용 배터리 같은 경우에는 에너지 밀도로 얘기해보면 한 150Wh/kg 정도 되는 배터리가 들어갑니다. 그렇게 되면 그 전기차는 한 100마일(약 160.93km) 정도 달립니다. 한 160km 정도 거리입니다.

그다음에 2세대로 되면서 또 드라이빙 레인지가 길어집니다. 배터리 용량도 에너지 밀도도 커지게 됩니다. 구체적으로 말씀드리면 음극으로는 흑연(Graphite)이 사용되고 양극에는 소위 말하는 NCM이라는 게 사용되다가 2세대가 되면서 양극재가 하이니켈이라는 소재로 바뀌면서 조금 올라갑니다. 물론 다른 기술도 많이 들어오지만 대표적인 것을 말씀 드렸습니다.

그다음에 3세대 전기차용 배터리가 있습니다. 3세대 전기차 배터리는 음극에 실리콘이라고 하는 소재가 들어옵니다. 실리콘이라는 소재가 들어오게 되면 우리가 드라이빙 레인지를 300마일, 현재 최신 전기차가 아마 이 정도 나올 겁니다. 한 450km 정도 나오는, 이 정도 차를 우리가 만들 수가 있습니다. 그때 에너지 밀도가 300Wh/kg 정도 됩니다. 그런데 우리는 더 오래 가는 자동차를 만들고 싶다는 겁니다. 그러다 보면 양극과 음극 소 재가 바뀌어야 되는데 우리가 쓸 수 있는 카드는 거의 다 사용했습니다. 한 가지가 남아 있습니다. 지금 3세대에 썼던 실리콘이라고 하는 것은, 사실 실리콘이 굉장히 적은 양이 들어갑니다. 정확히 말씀드리면 10% 미만이 들어가고 90% 이상은 흑연이 쓰이고 있습니다. 그러면 방법은 실리콘 양을 늘리면 됩니다. 그런데 아시다시피 실리콘은 부피 팽창과 계면이 너무 불안하기 때문에 그 문제를 해결하는 것도 굉장히 도전적인 것이라고 보고 있습니다. 그래서 주목받는 게 리튬금속입니다. 음극을 흑연이나 실리콘이 아닌 리튬금속으로 바꾸게 되면 우리가 소위 말하는 꿈의 에너지 밀도인 500Wh/kg을 달성할 수 있을거라고 생각합니다. 500Wh/kg은 사실 상징적인 숫자입니다. 아직도 실질적인 상업화 측면에서는 도달하지 못한 500Wh/kg 짜리 배터리를 만들게 되면 전기자동차를 500마일(약 800km) 정도 달릴 수 있게 됩니다. 그런 측면에서 굉장히 주목받는 기술이라고 볼 수 있습니다. 그런데 리튬금속만 놓고 보면 결국은 리튬금속은 음극에 사용되는 것이고, 방금 제가 말씀드린 것은 양극을 현재 리튬이온 전지에서 사용되고 있는 NCM이라고 하는 하이니켈의 소재하고 커플링을 했을 때의 얘기입니다.

02 리튬금속 연구 없이는 리튬이온 다음은 없다

그러면 또 한 가지 궁금한 게 뭐냐하면 소위 말해서 “차세대 리튬이온 배터리는 무엇인가?” 라는 질문을 갖게 되는데, 차세대 리튬이온 전지로 주목받고 있는 게 방금 제가 말씀드린 리튬금속 전지입니다. 리튬황 전지, 그다음 리튬에어 전지 이렇게 거론될 수가 있습니다. 소위 말하는 이 차세대 리튬이온 전지들은 공통적으로 음극으로 리튬금속을 쓰고 있습니다.

그러니까 무슨 얘기냐 하면 리튬금속에 대한 기술을 갖게 되면 리튬금속 전지뿐만이 아니라 차세대 전지에 대한 기반 기술을 확보할 수 있다는 겁니다. 거꾸로 얘기하면 리튬금속 전지 기술을 확보 못하면 차세대 전지 기술은 거의 불가능하다고 볼 수 있겠습니다. 그래서 리튬금속 전지라고 하는 것은, 정확히 말씀드리면 리튬금속 음극이라고 하는 것은 차세대 전지의 플랫폼 기술이라고 볼 수 있겠습니다. 그래서 사실은 정의를 내리는 게 약간 애매모호할 수도 있는데, 통상적으로 리튬금속 전지라고 얘기하는 것은 음극으로 리튬금속, 양극으로는 NCM과 같은 메탈옥사이드 계통의 양극을 연결하는 것을 리튬금속 전지라고 합니다. 양극에 황(Sulfur)이나 공기(Air)를 쓰게 되면 리튬황 전지나 리튬에어 전지라고 합니다. 그래서 이 설명을 통해서 우리가 왜 리튬금속 전지에 관심을 가져야 되는지에 대한 설명이 되겠습니다.

조금 어려운 내용이 될 수도 있겠는데 우리가 이 세상에 사용되는 양극 소재와 음극 소재를 전위와 용량에 따라서 플롯을 해보면 다음과 같이 볼 수 있습니다. 전위가 높은 것들이 주로 양극에 있고 전위가 낮은 애들이 주로 음극에 있습니다. 전지의 전압이라고 하는 것은 양극과 음극의 전위차를 갖고 결정하는 것이기 때문에, 음극 입장에서 보면 전위가 낮으면 낮을수록 좋은 겁니다. 그런 측면에서 이 아래쪽에 있습니다. 대표적인 소재인 흑연 용량이 약 372 정도 나오고, 전압은 0V가 아닌 약간 높은 상태에 있습니다. 그런데 오늘 제가 말씀드린 리튬금속 같은 경우에는 전위가 제로입니다. 전위가 제로고 그다음 용량이 흑연의 10배 이상이 높습니다. 어떻게 보면 마지막 답입니다. 결국은 리튬 화학(Chemistry)을 기반으로 하는 2차 전지에서 “음극 소재의 마지막은 무엇입니까?”라고 물어보면 결국 리튬금속이라는 겁니다. 이걸 해결해야 된다는 겁니다.

03 폭발 위험으로 한때 사장됐던 ‘리튬금속’ 기술

다시 전지 관점으로 더 쉽게 설명을 드리면 이게 약간 아이러니합니다. 왜냐하면 지금 상업화된 리튬이온 전지라는 것이 상업화가 된 결정적인 이유는 2019년도에 노벨상을 받은 세 분의 박사님들, 그중에서 일본의 요시노 아키라 박사가 한 일이 음극과 관련된 일입니다. 이분은 음극으로 지금 우리가 쓰고 있는 흑연을 개발하신 분입니다. 그래서 이분의 업적이 없었으면 현재 상업화된 리튬이온 전지가 없는데, 지금 제가 얘기하고 있는 것과 여러분들이 관심 갖고 있는 리튬금속 전지는 과거로 회귀하는 겁니다. 다시 설명을 드리면 요시노 박사의 업적이 대단한 게, 알레산드로 볼타가 한 220년 전에 최초로 전지라는 개념이 나온 이후로, 요시노 박사의 콘셉트가 나오기 전까지는 우리가 무슨 전지라고 하면 그 앞에 금속이 붙습니다. 리튬 전지 그러면 “리튬을 금속으로 쓰겠구나.” 징크 전지는 “징크(Zinc)를 금속으로 쓰겠구나.” 무슨 전지라고 하는 것은 그 대표를 띄는 금속을 음극으로 쓴다는 게 지난 한 200년간 알려졌던 룰인데, 요시노 박사는 그 개념을 뒤집은 겁니다. 그래서 사실은 소니가 리튬 2차 전지를 세계 최초로 상업화하기 전에 몰리라는 회사가 리튬 전지를 상업화를 했습니다. 그때 몰리가 상업화한 전지는 음극에 리튬금속을 썼던 겁니다. 당연합니다, 왜냐하면 그 당시 모든 사람들은 무슨 전지라고 하면 그 금속을 음극으로 썼던 거니까. 상업화를 했습니다. 그런데 얼마 안 돼서 다 터졌습니다. 다 터져서 그 당시에 몰리가 사업을 정리하면서 리튬금속은 너무 위험하기 때문에 이걸로는 전지를 만들 수 없다고 그랬습니다. 그리고 한 수십 년이 흘렀습니다. 그런데 요시노 박사가 한 일은 그동안 수백 년간 가졌던 그 개념을 뒤집어버린 겁니다. 무슨 전지인데도 리튬 전지인데도 그 리튬을 음극으로 사용하지 않는 전지를 요시노 박사가 개발한 겁니다. 그 덕에 우리가 이것을 지금 사용할 수 있게 된 겁니다. 그런데 지금 다시 과거로 돌아가는 겁니다.

04 같은 배터리 용량에 부피와 무게 모두 줄인다

왜 그럴 수밖에 없냐면 제가 준비한 그림을 보게 되면, 이 그림에서 높이가 지금 양극·음극·분리막으로 구성된 전지 단면의 높이라고 보시면 됩니다. 가장 좌측에 있는 걸 보면 밑에 양극이 있고 분리막이 있고, 음극으로 리튬금속을 쓴 겁니다. 소위 전지했던 사람들 입장에서 보면 이건 하프셀(Half Cell)이라고 합니다. 반쪽 전지라고 해서 음극의 두께가 굉장히 두꺼운 걸 씁니다. 이것도 리튬금속 전지입니다. 이렇게 써왔습니다. 그런데 또 그다음 옆에 그림을 보게 되면 오늘 제가 보여드리는 그림에서 모든 전지는 동일한 에너지를 가지고 있습니다. 예를 들어서 500Wh/h라고 한다면 똑같이 다 500Wh/h를 가지고 있는 겁니다. 그런데 하프셀에 들어가는 리튬금속 대비해서 두 번째 그림을 보게 되면 흑연 같은 경우에 음극의 높이가 줄어들어 있습니다. 무슨 얘기냐면 음극의 높이가 줄어들었다는 것은 동일한 500Wh/h를 가지고 있는 전지인데, 높이가 줄어들었으니까 어떻게 되겠습니까? 부피가 줄어들고, 또 동시에 무게도 줄어들었습니다. 그러니까 500Wh/h를 무게로나 부피로 나누게 되면 그게 에너지 밀도라고 하는 건데, 에너지 밀도가 증가하게 됩니다. 그다음에 세 번째 그림은 흑연 대신에 실리콘이 들어오는 겁니다. 그러면 더 떨어집니다. 부피가 더 줄어들었습니다. 에너지는 동일하지만, 그러니까 이만한 통에 에너지를 담고 있다가 이만한 통에 에너지를 담게 된 겁니다. 에너지는 똑같습니다. 그럼 어떻게 되겠습니까? 에너지 밀도는 증가하게 되는 겁니다. 그러면 마지막 그림을 보게 되면 또다시 리튬이 등장합니다. 대신 제일 왼쪽 것과 비교를 해보면 두께가 굉장히 얇아져 있습니다. 이게 소위 말하는 리튬금속 전지라는 겁니다. 구성 성분만 보게 되면, 두께가 진짜 극도로 낮아졌습니다. 그러니까 어떻게 됩니까? 이 네 가지 그림에서는 이것만큼 에너지 밀도가 높은 게 없습니다. 그래서 우리가 리튬금속 전지에 주목하게 되는 겁니다. 그러면 제일 왼쪽 것과 마지막 것을 비교해보게 되면, 구성 성분은 양극도 똑같고 분리막도 똑같고 리튬금속도 똑같습니다. 오로지 차이는 리튬금속의 두께뿐입니다. 성분이 다른 건 아닙니다. 두께가 낮아진 겁니다. 그래서 두께가 낮아져서 에너지 밀도로 올랐을 경우를 리튬금속 전지라고 하는 겁니다. 그러니까 화학 관점에서 보면 약간 말이 안 됩니다. 이건 엔지니어링 콘셉트입니다. “성분은 똑같은데 왜 저쪽은 리튬금속 전지라고 안 그러고 이쪽을 리튬금속 전지라고 그럽니까?” 방금 말씀드린 대로 에너지 밀도를 달성할 수 있느냐 없느냐에 따라서 구분이 되는 겁니다. 이렇게 되면 제일 좌측에 있는 엄청나게 두꺼운 리튬금속을 쓰는 것에 비해 얇은 리튬금속을 쓰게 되면 어려운 점이, 두꺼운 리튬금속을 쓰게 되면 저쪽에서 리튬이 무한히 나옵니다. 그러니까 이 전지는 웬만하면 죽지 않습니다. 만약에 이 전지가 죽는다면 양극이나 분리막 쪽에 문제가 터지는 겁니다. 그런데 리튬금속이 얇게 되면 리튬 소스가 제한되기 때문에 리튬금속도 문제에 참여하게 됩니다. 그래서 지금 소위 말한 리튬금속 전지라고 하는 것은 아주 얇은 리튬을 음극으로 사용하는 것이다. 그리고 왜 이걸 해야 하냐면 에너지 밀도를 가장 높일 수 있는 솔루션이기 때문에 주목을 받는다고 볼 수 있겠습니다.

05 리튬금속 활용한 ‘무음극 전지’가 배터리 끝판왕

그런데 이게 끝이 아닙니다. 왜냐하면 지금 리튬이온 전지는 리튬의 소스가 양극에 있습니다. 리튬 코발트 옥사이드, 리튬 NCM 이런 식으로 있습니다. 그렇다면 원리적으로 따지면 음극에는 아무것도 없어도 됩니다. 그냥 구리 집전체만 있어도 됩니다. 그게 소위 말해서 리튬금속의 다음 버전, 애노드 프리(Anode-Free)라고 하는 무음극 전지라고 하는 게 나오게 됩니다. 이게 사실은 끝판왕입니다. 이렇게 되면 전지가 양극, 분리막, 구리 호일만 있으면 됩니다. 이게 지금 전지 업계에서 가장 핫한 주제 중에 하나입니다. 최근에 2차 전지계에서 차세대 전지로 핫한 주제를 꼽아보라고 한다면 전고체, 두 번째가 리튬금속인데. 그 리튬금속은 애노드 프리라고 하는 콘셉트까지 갖고 있는 겁니다. 그 얇은 리튬금속마저도 없애버렸기 때문에 에너지 밀도는 500Wh/kg 이상을 더 만들 수가 있습니다. 무엇보다도 좋은 점은 리튬금속은 굉장히 반응성이 높고 위험하기 때문에 전지 메이커 입장에서 보면 좀 두려워합니다. 왜냐하면 화재 위험성이 있기 때문에, 사용하다가 터지는 문제가 아니라 전지 제조 도중에 터질 수가 있기 때문입니다. 그런데 애노드 프리가 되게 되면 전지가 굉장히 간단해집니다. 그냥 구리 호일만 넣으면 되니까, 전지 재료 제조 측면에서는 굉장히 유리한 방법이라서 가장 주목을 받고 있는 거라고 볼 수 있는데 그 대신에 가장 어렵습니다. 성능이 안 나온다는 겁니다.

06 리튬금속 배터리의 단점 ‘덴드라이트’

그래서 리튬금속 이슈를 조금 정리해보면 리튬금속 이슈가 나올 때 항상 얘기가 나오는 게 덴드라이트(Dendrite) 라는 게 나옵니다. 덴드라이트는 쉽게 얘기하면 겨울에 처마에서 고드름 자라는 것과 똑같습니다. 물방울이 맺히다 고드름이 자라는데 그런 식으로 리튬금속 위에서 리튬 고드름이 자라는 겁니다. 그러면 이 고드름이 자라면 뭐가 문제냐면 고드름이 자라게 되면 좀 어려운 얘기인데, 원래 리튬금속이 있으면 리튬금속 위에 보호막이 하나가 이렇게 형성됩니다. SEI라고 하는 보호막이 형성이 되고 나면 안정적으로 리튬 충·방전이 일어나게 되는데 고드름이 자라게 되면 새로운 비표면적이 생겼기 때문에, 거기에 또 다른 SEI 레이어가 형성되고, SEI 레이어가 형성되기 위해서는 리튬이 소모되는 겁니다. 또 문제는 이 고드름이 계속 자라다가 툭툭 끊어집니다. 그러면 이건 데드 리튬이라고 하는데, 이 데드 리튬이 생기게 되면 그만큼 내가 넣어준 리튬금속의 용량을 까먹게 되는 겁니다. 성능 측면에서는 덴드라이트가 문제가 있습니다. 또 고드름이 계속 자라서 끝까지 자라게 되면, 분리막(Separator)을 뚫고 양극에 닿게 됩니다. 그렇게 되면 전지가 쇼트가 난 겁니다. 그러면 터집니다. 그래서 안전(Safety)과 성능 측면에서 해결이 안 되고 있습니다. 그러면 왜 앞서 얘기했던 흑연이나 실리콘은 이런 문제가 없을까요? 흑연을 예를 들면 흑연은 아파트 같은 구조입니다. 1층, 2층, 3층, 4층 이렇게 되어 있습니다. 그러니까 리튬이 마치 자기 집에 아파트 들어가듯 이렇게 들어갔다 나옵니다. 그러니까 리튬이 빠져나갔다고 해서 그 집이 없어지는 건 아닙니다. 그런데 리튬금속은 덩어리로 있다가 덩어리에서 리튬이 빠져나가게 되면 거기가 없어져 버립니다. 막말로 리튬금속을 다 썼다, 다 저쪽으로 방전을 시켰다면 남은 게 아무것도 없습니다. 양극 쪽으로 넘어갔던 리튬금속이 다시 이쪽으로 오게 됐을 때, 허허 벌판에서 다시 이렇게 정착을 해야 하는 겁니다. 예전에 처음 가졌던 조밀한 구조로 들어온다는 게 거의 불가능합니다. 집이 없는 상태니까 가역성이 떨어질 수밖에 없는 겁니다. 그에 따라 덴드라이트도 형성이 됩니다. 그래서 이것을 다시 한 번 정리를 했던 여러 가지 연구들이 있습니다. 아무튼 결론적으로 말하면 덴드라이트가 형성이 되는 게 가장 주범이고 그로 인해서 SEI 레이어가 불안정한 것이 또 한 가지 문제가 되겠습니다.

그래서 여러 가지 그 일을 해결하기 위해서 많은 노력들을 합니다. 수백 가지의 접근들을 많이 합니다. 그걸 크게 나눠보면 열역학적으로 안정화하는 접근이 있고 그다음에 동역학적으로 안정화하는 접근이 있습니다.

07 리튬금속 배터리의 안전성 확보 위한 학계의 노력

가장 대표적인 예를 들어보면 무언가 리튬금속과 전해액과의 반응이 굉장히 극렬하니까, 참고로 다시 한번 말씀을 드리자면 주기율표에 나와 있는 리튬이 무게만 제일 가벼운 게 아니라 이 세상에서 제일 반응성이 강합니다. 그러니까 리튬은 어떤 것과 만나면 무조건 전자를 줍니다. 환원제라고 그러는데, 리튬금속이 누군가하고 만나면 리튬은 전자를 줘서 그 반대편에 있는 물질을 환원시켜 버립니다. 그러니까 무슨 얘기냐면 리튬금속이 만나는 게 누구죠? 전해액을 만납니다. 그러면 전해액에 전자를 줍니다. 얘가 그래서 전해액을 환원 시켜버립니다. 엄청나게 반응성이 강한 겁니다. 그래서 아까 말씀드린 여러 가지 문제가 터지게 되는 건데, 그래서 쉽게 해결할 수 있는 방법은 “그러면 리튬금속이 전해액이랑 바로 만나지 못하게 하자.” 그러니까 SEI 레이어를 잘 만들어주자 혹은 인공적으로 보호막을 넣어보자는 얘기하고, 또 한 가지는 “아무리 리튬금속이 반응성이 강하다 하더라도 우리가 전해액을 둔한 애를 만들어주면 괜찮지 않을까?” 해서 전해액을 바꿔주는 연구가 있습니다. 그 다음에 또 한 가지는 “이게 원래 원리적으로 따져보면 흑연과 달리 한 번 나갔다가 다음에는 자기 집도 없이 찾아오는 거니까, 미리 집을 좀 만들어줄까?” 하는 그런 연구도 합니다. 대표적인 연구는 리튬금속에 보호막을 도입하는 것이고, 새로운 집을 지어주는 것이 리튬금속 입장에서는 가장 활발하게 연구를 하고 있는 분야라고 볼 수 있겠습니다. 전해액은 좀 다른 내용이니까 그렇게 보시면 되겠습니다. 물론 리튬금속 자체를 바꾸는 일도 합니다. 합금(Alloy)으로 만들어서, 그래서 제가 여태까지 했던 것 중 대표적인 것들을 다시 한 번 정리를 해봤는데 전해액 자체를 바꾸는 일을 합니다. 그건 리튬금속 일은 아니지만, 그러니까 리튬금속의 연구 방향은 리튬금속 자체를 바꾸는 일도 있지만 그것보다는 전해액 일이 사실 절반 이상입니다. 여러분들이 리튬금속 전지를 찾아보면 “리튬금속 전지의 이슈는 리튬금속을 해결해야지.” 라고 생각하고 볼 수 있겠지만, 사실은 절반 이상의 연구들은 전해액과 관련된 논문들입니다. 그다음에 방금 말씀드린 대로 리튬금속으로 들어오면 전해액과 반응을 최소화시키는 관점에서 보호막을 깔아주자고 하는 것이 있습니다. 그다음에 새로운 집을 만들어주자 하는 게 호스트(Host)라고 하는 것입니다. 그다음에 또 리튬금속의 표면을 바꿔줍니다. 리튬금속 표면을 바꿔서 리튬금속에 리튬을 좋아하는 물질들을 살짝 깔아주면 얘네들이 리튬을 아주 잘 잡아당겨줄 수 있기 때문에 균일한 도포가 일어날 수 있습니다. 그래서 이 정도가 대표적인 접근이라고 볼 수 있겠고 최근에 주목받은 내용들을 간단하게 몇 가지만 소개시켜 드리고 발표를 마치도록 하겠습니다.

대표적인 게 아까 전해액 문제를 한번 얘기했었는데 지금 2차 전지에 쓰이는 전해액은 용매와 염(鹽)으로 구성이 돼 있는데 쉽게 말하면 소금물입니다.

소금물이 물과 염화나트륨(NaCl)으로 구성돼 있듯이 2차 전지 전해액은 용매와 리튬염, 첨가제로 구성되어 있는데 사실상 음이온이 양이온보다 더 빨리 달립니다. 사실 리튬이온이 더 느립니다. 그런데 만약에 리튬이온만이 잘 다니고 리튬이온이 더 빨리 다닐 수 있게 한다면 제가 지금 보여드리는 것처럼 금속이 굉장히 안정화될 수 있습니다. 이런 접근을 하고 있고 그다음에 보호막과 관련된 연구들은 너무 많습니다. 너무 많아서 예를 들을 정도로 없을 정도로 많이 되어 있습니다. 대표적인 접근 중에 하나가 보호막을 까는 것이고, 그다음에 호스트라는 개념이 있습니다. 빈집을 넣어주는 겁니다. 빈집을 넣어주게 되면, 생각해보면 리튬금속 두께가 이 정도인데 빈집을 이렇게 얹게 되면은 아까 리튬금속의 장점이 두께가 얇고 무게가 가볍다는 건데 새로운 빈집이 들어오게 되면 두께가 올라가고 무게가 증가합니다. 그러니까 사실 넌센스입니다. 그러니까 호스트라고 하는 개념을 만들 때는 두께를 최소한으로 해야 하고 무게도 가벼운 호스트를 써야 되는 겁니다. 그래서 최근에는 이 호스트마저도 2차 전지 반응에 참가하는 연구들을 했다는 결과들도 있습니다. 그래서 리튬금속을 안정화시킨다. 안정화 시켜야하는 이유는 리튬금속이 워낙 전해액과의 반응성이 강하기 때문입니다. 그래서 그걸 막는 연구들이 현재와 차세대 리튬금속 전지 연구를 하고있는 가장 큰 방향이라고 볼 수 있겠습니다. 대표적인 게 전해액 자체를 개질하거나 아니면 보호막을 도입하거나, 호스트라는 개념을 도입하는 것이 되겠습니다.

08 리튬금속은 전기차 아닌 드론 “배터리 시장 시야 넓혀야”

리튬금속 전지가 지금 설명드린 바와 같이 유망하지만 매우 많이 극복해야 할 이슈들이 있습니다. 그런데 이걸 응용 분야와 같이 연계하게 되면 또 다른 생각을 하게 됩니다. 리튬금속 전지를 가지고 전기차에 사용하게 된다면 사실 극복해야 할 이슈들이 너무 많습니다. 전기차는 장수명이 되어야 하고 사이클도 많아져야 하고, 안전해야 하고 너무 많은 이슈들을 극복해야 합니다. 혹자는 안 될 거라고도 얘기합니다. “저 이슈를 다 극복하지 못한다.” 그래서 전기차에는 리튬금속 전지가 쓰이기 어렵다고, 안 그러길 바라지만 그렇게 얘기하는 사람도 있습니다. 그런데 응용 분야를 달리 보면, 예를 들어서 드론이 있습니다. 특히 하늘 위 성층권 이상으로 떠서 날아가는 드론 같은 경우는 에너지 밀도를 엄청 요구합니다. 500Wh/kg 이상 요구합니다. 대신에 드론은 트레이드 오프(Trade-off)가 있습니다. 에너지 밀도는 엄청 높은데 충·방전 수명은 10회~20회 정도면 되는 겁니다. 그다음 드론은 무인입니다. 사람이 안 탑니다. 그러니까 최악의 경우 잘못돼서 터져도 그렇게 큰 문제가 안됩니다. 그러니까 드론이 리튬금속 전지가 가장 적합한 응용 분야가 되는 겁니다. 에너지 밀도도 500Wh/kg 이상 만들 수 있고, 대신에 충·방전 수명은 만족 못했습니다. 그다음에 안전(Saftey)도 아직 해결 못했습니다. 하지만 그런 상황이지만 드론 입장에서 보면 “난 괜찮아, 그 정도도 충분할 수 있어.” 그래서 드론 하는 사람들은 리튬금속 전지에 관심이 있고, 사실 정확하게 얘기하면 죄송한 얘기지만 드론 하시는 분들이 전지에 대해서 잘 아시는 분도 있지만 잘 모르는 사람들도 많습니다. 그분들은 그냥 “에너지 밀도 어느 정도 되는 배터리 좀 줘.” 그리고 대신에 수명은 얼마 안 되고 터져도 크게 상관없다는 요구를 얘기합니다. 그런 측면에서 보게 되면 현재 수준의 리튬금속 전지가 전기차에는 만족을 못 시키지만, 드론에는 충분히 응용이 가능하다는 겁니다. 그래서 드론과 같은 새로운 마켓에 아직은 머추어드 된 상태가 아니지만 슬슬 적용이 되면서 기술을 올리게 되면 리튬금속 전지를 가지고 전기차로도 나중에는 사용될 수 있겠고, 아니면 드론 시장이 커지게 되고 UAM이라고 하는 또 다른 새로운 시장이 커지게 됐을 경우에는 리튬금속 전지가 매우 유망한 시스템이라고 볼 수 있겠습니다. 그래서 여러분들이 전지를 보실 때 지금 너무 전기차 분야가 크다 보니까 모든 전지를 전기차용으로만 놓고 생각하시는데, 특히 새로운 전지를 얘기했을 경우에는 조금 시각을 넓게 보실 필요가 있습니다.

그래서 우리가 다시 한 번 요약을 하자면 차세대 전지, 특히 에너지 밀도를 올릴 수 있는 방법 중에 리튬금속이 음극으로서 가장 유망 받는 소재임은 분명합니다. 우리가 리튬금속 전지 기술을 확보해야 리튬금속 전지 외에, 차세대 전지로 불리는 리튬황 전지나 리튬에어 전지를 개발할 수 있는 플랫폼 기술이 되겠습니다. 이에 따라 앞으로 2차 전지 연구 방향은 리튬금속이 지금도 그렇지만 앞으로도 매우 큰 주목을 받는 주제라고 볼 수 있겠습니다. 경청해 주셔서 감사합니다.

정리_안영희 PD anyounghee@thelec.kr