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리튬도 비싸 못쓴다...2차전지 차세대 소재는?

[뉴스비전e 김호성 기자] 리튬, 코발트 가격 상승에 이어 이를 대체하기 위해 사용한 니켈 가격도 폭등하면서 2차전지의 양극재에 들어갈 차세대 소재 발굴이 절박한 상황이다. 

흔히 배터리라 불리는 2차전지는 융합을 중심으로 하는 4차산업의 향방을 결정하는 한축이다. 에너지를 담아 이동성을 보장하지 않으면 융합 자체가 불가능해지기 때문이다. 

현재 상황에서 가장 두각을 나타내고 있는 배터리는 리튬이온 배터리다. 스마트폰과 컴퓨터 같은 디지털 기기는 물론 차세대 자동차로 각광받는 전기자동차에까지 대량으로 사용되고 있기 때문이다. 

하지만 문제가 있다. 리튬(Li)은 매장량이 많지 않아서 지금과 같은 추세라면 수십 년 안에 고갈될 가능성이 많다는 점이다.

따라서 선진 국가들은 오래 전부터 리튬 같은 희귀 금속이 아닌 자연적으로 풍부한 양을 자랑하거나 인공적으로 얼마든지 생산할 수 있는 배터리 원료를 찾기 위해 전력을 다하고 있다.

2차전지의 차세대 소재로 나트륨과 그래핀이 주목받고 있다. 그러나 아직까지는 나트륨과 그래핀이 리튬을 대체할만큼의 기술적 안정성이 검증되지 않았다는 주장도 나오고 있다. 

2차전지 업계와 주요 보고서를 토대로 2차전지의 차세대 소재에 대한 업계와 연구기관들의 시각은 어떨까?

 

◆"사실상 무한정 있다"...차세대 양극재로 주목받는 나트륨

<이미지 / EBS 캡쳐>

리튬의 대체제로 주목받는 원료 가운데 하나가 바로 나트륨(Na)이다. 리튬과 비슷한 화학적 특징을 갖고 있으면서도 소금의 주성분 이다보니 양이 풍부하여 고갈 걱정을 할 필요가 전혀 없어서다.

양이 풍부하다는 것은 그만큼 저렴하게 구입할 수 있다는 것을 의미한다. 톤당 가격으로 비교할 때 리튬은 15000달러인 반면, 나트륨은 150달러에 불과하기 때문에 무려 100배 정도의 차이를 보인다.

단점은 나트륨의 성능이 리튬에 비해 떨어진다는 점이다. 에너지 저장 밀도가 리튬에 비해 낮기 때문에 나트륨으로 만든 배터리는 충·방전 효율이 상대적으로 떨어진다는 약점을 안고 있다.

이 같은 단점을 보완하기 위해 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)의 과학자들은 상당 기간 동안 나트륨 배터리 개발에 집중해 왔고, 지난 2015년에는 리튬 이온 배터리에 대비해 80% 정도의 효율을 낼 수 있는 나트륨 배터리 개발에 성공하기도 했다.

파이낸셜뉴스에 따르면, 이 같은 결과에 대해 CNRS의 관계자는 “오는 2020년까지 리튬이온 배터리의 효율에 버금가는 18650 규격의 나트륨 이온 배터리를 시장에 출시하겠다”라고 밝혔다.

18650 규격은 산업용 배터리에 널리 사용되고 있는 규격을 의미하는 것으로서, 지름 18mm에 길이 65mm의 배터리를 말한다.

프랑스 국립 과학연구소(CNRS)가 보고서에서 발표한 18650 규격의 나트륨이온 배터리의 경우, 소재를 밝힐 수 없는 음극과 여러 층으로 된 나트륨-티타늄-산소(Na2Ti3O7) 화합물을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 특히 에너지 저장 밀도가 90Wh/kg 정도로서 리튬이온 배터리의 초기 모델과 비슷한 수준인 것으로 파악됐다.

국내에서도 나트륨을 활용한 배터리 연구가 활발히 진행되고 있는데, KAIST 신소재공학과의 연구진이 최근 나트륨이온 배터리의 음극소재로 사용할 수 있는 주석황화물 나노 복합체를 개발한 것으로 알려져 주목을 끌고 있다.

KAIST의 발표에 따르면 이번에 개발된 나노 복합체를 나트륨이온 배터리에 삽입하여 실험한 결과, 기존 주석황화물에 준하는 높은 방전 용량을 기록한 것으로 파악됐다. 또한 100번 이상의 충전과 방전을 계속해도 수명과 용량이 유지된다는 사실도 확인하여 상용화 가능성에 대한 기대감을 높이고 있다.

 

◆나트륨은 리튬을 넘어서지 못한다?

<사진 / 다와나>

골든브릿지 투자증권의 법인본부 이동수 전략가 등이 작성한 '골든 인베스팅 아이디어' 자료에 따르면 영국의 파이낸셜 타임즈가 11일(유럽시각) 분석한 배터리 산업 진단이 눈길을 끈다.

파이낸셜 타임즈는 소금물에서 나오는 나트퓸은 유망한 전진을 보여줄 단서를 제공하기는 했다고 평가하면서도, 현 시점에서 리튬 이온 배터리를 넘어설 상용화 기술은 나오지 않았다"고 판단했다. 

그러나 주요 연구소의 시각은 이와는 다소 상반된다. 

2차전지 업계 관계자는 "나트륨의 효율이 리튬에 비해 떨어지긴 하지만, 이를 보완하기 위한 기술개발로 상당한 수준까지 따라온 상황"이라며 "효율만 갖고 판단한다면, 리튬보다 훨씬 효율이 낮은 니켈을 적당히 배합한 2차전지가 상용화된것도 논리상으로는 맞지 않다"고 설명했다. 

효율성만 놓고 보자면 결국 급등하는 소재가격을 감안해 어느것을 선택하느냐의 문제가 된다는 것이다. 

다만, 안정성 면에서는 상용화단계까지 거쳐야 할 단계가 남아 있다. 

 

◆삼성 종합기술원도 적극 개발 나선 '그래핀 배터리'

<사진 / 한화케미칼>

나트륨만큼이나 차세대 배터리 소재로 주목을 받고 있는 물질은 바로 그래핀(Graphene)이다.

그래핀은 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연의 한 층이다. 전자 이동성이 빠르고 열전도성이 뛰어나며 강도도 높아서 미래에 사용될 신소재로 떠올랐다. 

특히 최근 삼성전자가 발표한 배터리 소재인 ‘그래핀 볼’은 기존 리튬이온 배터리의 성능을 압도하는 것으로 알려져 국내·외 에너지업계가 비상한 관심을 보이고 있다. 충전용량을 45%나 향상시키면서도 충전 속도까지 5배 이상 빠르게 올릴 수 있는 것으로 드러났기 때문이다.

기존 배터리는 고속충전 기술을 사용하더라도 완전히 충전하는데 1시간 정도가 소요되지만, 그래핀 볼을 원료로 한 배터리는 12분이면 완전히 충전할 수 있다는 것이 삼성전자 측의 설명이다.

삼성전자 관계자는 “그래핀 볼을 리튬이온 배터리의 양극 보호막과 음극 소재로 활용했더니 충전용량이 늘어나고, 충전시간을 단축하는 것은 물론 고온 안전성까지 모두 만족시키는 결과가 나왔다”고 설명했다. 

<사진 /픽스커 블로그>

그래핀을 활용한 배터리는 전기자동차에도 활발하게 적용되고 있다. 테슬라와의 경쟁을 선포한 전기차 제조사 픽스커는 전기차 '이모션'에 그래핀을 활용한 배터리 장착 계획을 밝힌바 있다. 

‘나노테크’라는 에너지 전문 스타트업이 개발 중인 그래핀 배터리를 이모션에 탑재한다는 것이었다.  이번 CES 2018에서도 피스커는 탄소섬유 섀시를 탑재한 자율주행차를 선보이는 등 파격적인 행보를 이어왔다. 

개발 일정상 이번 전시회에 공개한 '이모션'에는 LG화학의 리튬이온 배터리로 대체했지만, 전기차 분야에서도 그래핀을 활용한 2차전지의 적용 시도는 앞으로도 지속될 전망이다.  

김호성 기자  newsvision-e@hanmail.net

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