 |
리튬 이차전지는 휴대폰을 비롯한 이동식 전자기기의 전원으로 널리 사용되고 있다. 리튬 이차전지의 세계시장은 2010년 62억 달러이고 연평균 15%의 성장으로 2015년에는 202억 달러가 될 것으로 전망된다. 국내의 리튬 이차전지 생산기술은 삼성 SDI, LG화학 등의 우리나라 대기업들이 주도하면서 세계 최고 수준으로 일본과 대등하나 부품소재 기술은 일본의 50% 수준으로 평가되고 있다.
최근 세계적으로 리튬 이차전지의 연구개발이 더욱 주목받는 이유는 전기자동차용 전원으로의 적용 가능성이 높기 때문이다. 자동차용 리튬 이차전지 시장은 2010년 7.29억불에서 2020년
400억불로 성장할 것으로 전망되며 이는 현재의 리튬 이차전지 전체시장의 2배 이상으로 초대형 시장이 형성되는 것을 의미한다. 이러한 초대형 시장을 실현하기 위해서는 기존 전자제품용 소형 리튬 이차전지의 성능, 즉 안전성, 가격, 에너지 밀도와 출력 특성이 획기적으로 개선된 전지가 반드시 개발되어야 하며 전고체 리튬 이차전지는 이러한 관점에서 관심이 급속히 고조되고 있다.
전고체 리튬 이차전지는 기존 리튬 이차전지의 구성요소 가운데 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것을 말한다. 전지의 폭발이나 화재의 위험성이 없고 제조공정이 단순화되며 고 에너지 밀도화 가능성이 기존 리튬 이차전지보다 유리해 차세대 이차전지로 주목받고 있다.
 리튬 이차전지의 구성
다른 전지들과 같이 리튬 이차전지도 크게 양극, 전해질, 음극으로 구성되나 현재 사용되는 리튬이온 전지는 유기용매와 리튬 염으로 구성된 액체 전해질 내에 20~100 μm 두께의 고분자 분리막이 추가되어 있다. 방전 시에는 Li+ 이온이 음극에서 양극으로 이동하고 Li이 이온화되면서 발생된 전자도 음극에서 양극으로 이동하며, 충전 시에는 이와 반대로 이동한다.
Li+ 이온의 이동은 전해질을 통하여 이루어지기 때문에 전해질의 Li+ 이온 전도도는 전지의 충/방전 속도에 영향을 준다. 전지의 에너지 밀도는 체적 에너지 밀도(energy density, Wh/l)와 중량 에너지 밀도(specific energy, Wh/kg)로 구분할 수 있는데, 일반적으로 현재 사용되는 휴대용 전자제품을 위한 전지는 체적 에너지 밀도가, 자동차 같은 경우에는 중량 에너지 밀도가 각각 상대적으로 중요한 기준이 된다.
재료공학적인 측면에서 보면, 양극과 음극 재료의 특성은 에너지 밀도에 영향을 주고 전해질의 이온 전도도와 두께는 출력에 영향을 주며 전극과 전해질의 접촉면적 및 접촉저항과 전극의 전기 전도도 등은 에너지 밀도와 출력 모두에 영향을 준다. 이 밖에도 현재 사용되는 리튬 이온전지는 액상 전해질을 사용하기 때문에 전해질 내에 삽입되는 분리막과 전지의 페키징도 중요한 요소기술이다.
전고체 이차전지
고체 전해질은 세라믹 전해질을, 전고체 이차전지는 세라믹 전해질을 사용한 이차전지를 의미한다. 고체 전해질을 사용하면 안전성, 고에너지 밀도, 고출력, 장수명 등 전지의 성능이 우수하다. 또 제조공정의 단순화, 전지의 대형화/콤펙트화 및 저가화 등의 관점에서도 유리한 것으로 알려지면서 최근 관심이 고조되고 있다. 2010년 일본의 Toyota 자동차는 평균 전압이 14.4V인 전고체 이차전지 시작품 (prototype)을 개발하였다고 발표한 바 있다.
아직 고체 전해질의 리튬 이온 전도도는 액체 전해질의 리튬 이온 전도도보다 낮지만 이론적으로 고체에서의 이온 전도도는 액체에서보다 높다고 보고된 바 있어서 충방전 속도 및 고출력의 관점에서도 전고체 리튬 이온전지는 주목할 필요가 있다.
△ 박막형 전고체 이차전지
전고체 이차전지는 박막형으로 시작되었다고 볼 수 있다. 박막형 전고체 이차전지(All-Solid-State Thin Film Battery)는 1982년 일본의 Hitachi에서 시작되었고, 이후 1980년대에 NTT 등 일본의 회사와 Ever-ready Battery Co.와 Bellcore Co. 등의 미국회사에서도 개발되었다.
박막 이차전지는 자가 방전, 고속 충전 및 고출력 등이 유리하고 고분자 전해질을 채용한 리튬 폴리머 전지는 절대 용량, 에너지 밀도의 관점에서 유리하다. 이러한 관점에서 기존 박막 이차전지는 용량이 작으면서 컴팩트한 용도인 스마트 카드, RFID, 의료용 임플란트 등에 적용될 것으로 기대되나 대용량이 요구되는 전기 자동차와 같은 분야에는 적용하기 어려울 것으로 판단된다.
△ 후막형 전고체 이차전지
박막형 이차전지는 장수명, 높은 에너지 밀도, 고출력, 빠른 충전, 안정성 등 장점이 있지만 용량이 제한적이라는 점이 단점으로 꼽힌다.
용량을 증가시키는 방법 중 하나가 전극 층의 두께를 증가시키는 것이다. 이차전지의 전극이 원활히 작동하려면 전극은 전자의 이동을 위한 집전체와의 전기적 연결 및 리튬 이온의 이동을 위해 전해질과의 접촉이 중요하다.
이러한 관점에서 전고체 이차전지에서도 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬 이차전지의 구조, 특히 3차원 전극구조 (3D electrode)를 고려해 볼 필요가 있다.
3차원 전극구조가 도입되면, 기존 박막 이차전지에 비하여 리튬 이온이 이동하는 거리가 증가하게 되기 때문에 후막형 전고체 이차전지에서는 높은 리튬 이온전도도를 가진 고체 전해질을 개발하는 것이 중요한 이슈가 된다.
리튬 이차전지를 위한 고체 전해질로 요구되는 특성은 1) 높은 리튬 이온 전도도 2) 무시할 수 있을 정도의 낮은 전자 전도도 3) 낮은 입계 저항 4) 전극과의 화학적 안정성 5) 높은 전기화학적 분해 전위 (>5.5V vs. Li) 6) 환경 친화적ㆍ저가ㆍ제조 용이성ㆍ비흡습성 등이다.
지금까지 살펴보았듯이 전고체 이차전지는 안전성, 장수명, 고에너지 밀도화의 가능성, 제조공정의 단순화 가능성 등의 관점에서 차세대 이차전지로 주목되고 있다. 최근 미국과 일본 등 선진국에서는 이에 대한 연구개발 투자를 크게 늘리고 있으며, 선진국의 기업들도 적극적으로 대응하고 있다.
전고체 이차전지의 개발에 가장 적극적인 기업은 Toyota 자동차로 전기 자동차용 전고체 이차전지를 이미 개발하여 발표한 바 있다. 그럼에도 불구하고 전고체 이차전지, 특히 고용량을 가진 후막형 전고체 이차전지의 경우에는 이제 개발의 초기 단계로 해결해야 할 문제들이 많이 있다. 예를 들면, 높은 이온 전도성 고체 전해질 개발, 고체 전해질과 전극 (음극, 양극) 간의 열적, 전기 화학적 반응 억제, 충방전 시 발생하는 전극의 팽창/수축에 따른 전극의 안정성과 전극/전해질 및 전극/전자 전도성 첨가제의 계면 안정성 확보 등이 해결되어야 할 문제점들 중 일부이다.
이렇듯 해결해야 할 과제들이 있지만 최근 고체 전해질 재료의 급속한 발전과 3차원 전극구조의 개발 등 상기 문제점들을 해결하려는 노력이 시도되고 있어 향후 좋은 결과가 있을 것으로 기대된다. 전고체 이차전지는 기존 이차전지의 주요한 문제점들을 해결할 수 있는 중요한 방안으로 제시되고 있으며 중장기적 연구개발 투자가 이루어져야 한다. |
| |
출처 : 박동수, 안철우 ‘전고체 리튬 이차전지의 연구개발 현황’
[기계와재료] 제23권2호 |
|
 |
|
