EV용 리튬공기(Rechargeable Lithium Air Battery) 이차전지 개발의 현주소 ...(1)

 

1978년에 옥스퍼드 대에서 현 텍사스 오스틴 대의 굿이나프 교수에 의해서 시작되었던 코발트 계열 전극 소재 개발은 1991년 소니의 IT 디바이스용 리튬이온 배터리로 상업적 결실을 보게 된다. 리튬 이온 배터리는 셀 평균전압이 3.6V로 1.2V인 Ni-MH 전지에 비해 에너지 저장 밀도나 메모리 효과 측면에서 엄청난 이점을 제공함을 알 수 있다. 지금은 Ni-MH 배터리가 점차 사라져가는 단계이지만 과거 1980년대 초반 KIST에서만 해도 재료나 화학분야에서 수소흡장금속의 연구가 성행했던 것을 기억한다. 1980년대 초에 이미 KIST에서는 저속이기는 하지만 납 배터리를 사용한 전기차를 제작하여 연구소 내에서 주행 시험을 하였으며 필자가 소속했던 기계 파트의 Lab 팀장 및 팀원 일부가 화학이나 화학공학 전공으로 연구소 내의 재료 및 화학 분야와의 교류가 있었었다. 즉 첨단 배터리의 개발 및 보급에 대체로 10-30년 정도의 연구 개발이 필요하다는 얘기의 근거가 바로 이런 것이다.

 

이러한 사례는 리튬 전지 전극 소재 원천기술 개발의 핵심 역할을 했던 굿이나프 교수팀이 지속적인 R&D를 통해 1993년 지금 현재 중국이 생산 종주국이 된 리튬인산철(LiFePO4) 전극 소재를 발명하였을 때도 적용된다. 전극 소재 개발 초기에 리튬 인산철 배터리가 안전성 및 내구성이 뛰어남에도 크게 빛을 볼 수 없었던 이유는 탄소음극 소재의 전기 전도도가 크게 낮아 전류 성능이 시원찮았다는 점에 기인한다. 이러한 기술적인 약점을 극복하기 위한 연구 노력으로서 2001년에 MIT의 Chiang 교수 그룹이 나노 전극 소재 공정을 적용함으로 인해 실용화가 가능한 수준의 탄소 전극 전기 전도도 향상이 가능해졌다. 그렇다고 해도 여전히 리튬 인산철 배터리는 수송용 특히 승용 차량에 적용하기는 에너지 밀도에서 리튬이온이나 리튬이온 폴리머에 비해 크게 불리한편이다. 설사 리튬이온 폴리머가 가격이 싸지고 안전성이 증가한다 해도 현재 이들이 적용 중인 GM의 VOLT나 NISSAN LEAF의 성능이 크게 나아지기는 어렵다고 볼 수 있다. 이러한 상황에서 리튬공기 2차전지로의 이행은 당연한 결과일 수 있다.

   

리튬 공기 2차 전지는 최근 IBM의 연구 과정 중의 보고에 의하면 양극 주변에서 인터페이스를 형성하는 영역에서 특수하게 조제되어야 할 전해질 물질에 주목하고 있다. 이들이 사용하는 연구 수단은 종래의 화학물질들의 조합에 따른 실험이 아니라 슈퍼컴퓨터를 기반으로 전해질 물질의 물리화학적 모형을 토대로 한 시뮬레이션에 크게 의존하고 있다고 밝혔다. 비록 슈퍼 컴퓨터의 엄청난 컴퓨팅 기능을 사용하는 첨단 연구라 할지라도 이는 즉 검토해야 될 전해질 물질의 구성 경우의 수가 엄청나다는 뜻이며 향후의 연구 개발에도 알 수 없는 많은 장애가 있다는 뜻이기도 하다.

필자가 수행했던 1990년대 말기의 T-50 초음속 전투 훈련기 개발 과정에서도 특히 ECS(Environmental Control System) 배관설계에서도 유사한 경험을 했었는데 그 이유는 배관 설계 과정에 도입되는 배관 지지용 브라켓이 받게 되는 미지의 지지력 변수가 120 여개에 달했으며 당시의 구조해석 소프트웨어인 NASTRAN에 의한 컴퓨팅 요구 경우의 수가 36,000번에 달하는 것으로 평가되었다. 운 좋게도 10개월에 걸쳐 600 여회의 컴퓨팅 결과를 가지고 설계가 가능한 수준에 도달하였다. 현재 T-50은 이착륙에 따른 배관 기술상의 심각한 문제가 없는 것으로 보이는데 반면에 최첨단 전투기인 F-22의 경우 조종사 산소공급 장치의 문제로 비행시간에 비해 지상정비 시간이 더 많은바 결국 배관 설계 기술상의 경우의 수를 제대로 극복하지 못한 경우가 아닌가 짐작한다. 최근 IBM의 보고에 있어서 2013년에 시제품을 보여주고 2020년경에 상용화가 가능한 리튬 공기 이차 전지를 예보하고 있으나 신중하게 지켜 볼 필요가 있을 것이다.

아울러 2012년 9월 27일자로 삼성과 전기화학회를 중심으로 리튬 공기 2차 전지 개발 추진에 대한 요란한 팡파레가 있었으나 이 분야의 갑작스러운 연구 개발 추진이나 정부의 대대적인 개발비 투자가 실효성 있는 결과를 낳을는지 여부는 전혀 별개의 문제로 보아야 한다. 불과 2년 전에 무려 1500억에 달하는 연구개발비가 메이저 기업 중심으로 투입된 스마트그리드 분야가 지금 어떻게 되었는지 결과를 아는 사람이 전혀 없다. 결국 나눠 먹기식 투자의 전형이다. 우리나라의 첨단 배터리 기술의 현 주소는 너무나 초라해 보인다. 국내에서 첨단 배터리 전극 및 전해질 재료 개발 논문이나 특허가 대단히 빈약한 상태며 모든 관심은 해외에서 개발된 물질 특허 완료를 기점으로 국내 내수를 기반으로 하는 생산기술(?) 적인 측면에서 접근해 왔던 것이 사실이나 전기 차의 내수 기반 부재로 이마저도 이미 중국에 의해 선점 당했다고 보여 진다.

 

 

 

납 배터리로부터 리튬 공기 2차전지에 이르기까지 위 표의 기본적인 데이터를 참고함에 있어서 특히 리튬 공기 2차전지의 경우 셀 전압을 아직 명시하지 못하는 초기 개발 단계임을 알 수 있다. 유사한 금속 공기 전지로서 아연 공기 전지는 현실적으로 충전성이 불투명하며 아예 기계적인 전극 및 전해액 교환으로 개발의 방향을 잡고 있다. 이 분야마저도 현재는 중국이 실용화의 열쇠를 쥐고 있는 것으로 보인다.

리튬 공기 2차전지의 제작의 핵심 기술은 나노 공정을 기반으로 하는 다공성 탄소 전극에서 생성되는 LiO2 물질의 충전 반응을 해결하는 것이 급선무로 부각되어 있으며 IBM의 연구진은 특수한 전해질 물질의 발명을 전제로 하고 있다. 반면에 음극 물질은 리튬 금속으로서 물이나 수증기와의 직접적인 접촉을 차단할 수 있는 기술이 요구되며 이는 충분히 극복이 가능하리라 본다. 한편 UDRI의 연구 결과 보고에 의하면 액체 전해질에 비해 안전성이 강화된 유리 세라믹 성분의 솔리드 스테이트 상태의 전해질을 기반으로 수십 종의 이차전지를 제작 시험한 결과 섭씨 107도에서 충방전 내구성이 40회에 달하는 우수한 성능의 리튬 공기 이차전지를 개발하였다고 한다.

 

적어도 리튬 공기 이차전지가 현재의 리튬 이차 전지들처럼 적어도 500회 이상의 충방전 내구성과 함께 적어도 8배 규모의 큰 전류 흐름을 가능하게 할 전극 및 전해질 소재의 개발은 이제 시작에 불과할 따름이나 이미 전기 차 상용화가 시작되었기 때문에 차세대 연구로서 힘을 받을 수 있는 여건이 형성되어 각광을 받을 것으로 보인다. 아울러 현재 토요타나 현대차의 경우 수소연료전지의 개발도 장기적으로 2030년을 목표로 진행되는 점을 감안하면 리튬 공기 이차전지와 치열한 기술 경쟁이 예상된다.

 

 아무리 메이저 기업이라하드라도 리튬 배터리 관련 원천 기술이나 생산 기술을 국내에 보유하고 있는 경우는 거의 없다고 해도 틀린 얘기가 아닙니다. 이 글을 올리는 이유 중의 하나는 특히 정부든 개인이든 기업이든 이러한 상황 및 특성을 철저히 파악해서 기술투자의 위험성을 사전에 경고하기 위한 것임에 유의해 주시기 바랍니다.