“리튬이온배터리의 성능은 지난 30여 년간 꾸준히 높아져 에너지저장 밀도에 있어서는 이론적 한계에 거의 도달했습니다. 우리 연구실은 이 한계를 뛰어넘는 새로운 배터리와 소재를 연구하고 있습니다.”
홍승태 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수는 리튬이온배터리가 뛰어난 성능을 바탕으로 오늘날 모바일 및 전기차 시대를 선도하고 있지만, 궁극의 배터리는 아니라고 보는 대표적인 학자다. 새로운 소재로 지금보다 뛰어난 성능의 배터리를 개발할 수 있다고 주장하는 그를 6월 4일 디스커버리(DISCOVERY) 연구실에서 만났다.
리튬의 화학적 한계 뛰어넘어
1990년대 초반 처음으로 상용화된 리튬이온배터리는 30년 이상 배터리계의 ‘왕좌’를 차지하며 널리 쓰이고 있다. 리튬이온배터리는 상용화된 어떤 배터리보다 전력을 많이 저장할 수 있고, 어느 정도 소형화도 가능하다. 사용하지 않을 때 방전도 거의 일어나지 않는다. 흔히 리튬이온배터리를 ‘완성형 배터리’라고 평가하는 이유다.
이런 장점 덕에 리튬이온배터리는 스마트폰이나 노트북 등 휴대용 전자제품은 물론, 전기차와 사물인터넷(IoT), 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 분야로 활용 범위를 넓히고 있다. 특히 태양광과 풍력 에너지 등 환경에 따라 전력 생산량이 들쭉날쭉한 재생에너지를 저장하기 위해 효율 높고 안전한 ESS를 개발 할 때에도 리튬이온배터리가 활용되고 있다.
현재 리튬이온배터리의 단위 부피당 또는 중량당 전력저장 밀도는 이미 이론상 최고 수준에 도달해 있다. 이를 넘어서려면 리튬이온배터리의 작동 원리와 근본적으로 다른 혁신적인 배터리 및 소재의 개발이 필요하다. 먼저 에너지 밀도를 지금보다 높여야 한다. 홍 교수는 “리튬이온배터리의 이론적인 에너지 밀도의 한계는 kg당 약 300Wh(와트시) 수준인데, 새로운 소재를 개발한다면 이를 2~3배가량 높일 수 있다”며 “1가 이온이 되는 리튬 대신 2가, 3가 이온의 금속 소재를 활용하는 것이 그 방법”이라고 설명했다.
리튬이온배터리가 충·방전될 때는 액체 전해질에 포함된 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전자를 이동시킨다. 예를 들어 충전시에는 리튬이온이 음극으로 갔다가 방전시 전해질을 타고 양극으로 이동하며 전자를 분리시킨다. 동시에 전자는 외부 도선을 통해 양극으로 이동하며 전류를 발생시킨다. 리튬이온은 이온 1개가 전자 1개를 이동시킬 수 있는 1가 이온이다. 만약 전자 2~3개를 이동시키는 다가 이온 소재를 사용한다면 이론상 에너지 밀도를 2~3배 높일 수 있다. 다가 이온 배터리는 이론적으로 가능하지만, 적절한 양극재, 음극재 등은 이제 막 연구가 시작됐다.
지난해 9월 홍 교수팀은 칼슘이온배터리용 양극재를 개발해 국제학술지 ‘케미스트리 오브 머티리얼스’에 발표했다. 연구팀은 ‘나시콘(NASICON)’ 구조 기반의 양극재를 찾아내고, 분말 X선 회절 기법으로 이 소재의 구조적 안정성을 평가했다. doi: 10.1021/acs.chemmater.0c01112 이외에 저장 용량이 매우 큰 몰리브데늄 산화물 양극재를 발견하는 등 현재도 새로운 양극 소재를 찾기 위한 연구를 하고 있다.
홍 교수는 “그동안 칼슘은 이온의 크기가 크고 안정성이 부족해 배터리에 부적합하다고 여겨졌다”며 “우리 연구실은 칼슘이온배터리 분야에서 세계적 선도그룹이 된다는 목표에 바싹 다가선 상태”라고 말했다.
새로운 배터리, 미래에 투자한다
에너지 밀도의 향상과 함께 안전성 문제도 해결해야 한다. 홍 교수는 “리튬이온배터리에서 사용되는 액체 전해질은 유기물로 이뤄져 발화점이 낮고 폭발 위험이 있다”며 “많은 연구팀에서 고체 전해질을 사용하는 전고체배터리를 연구하는 이유”라고 말했다.
전고체배터리를 만들기 위한 소재로는 황화물계나 산화물계 소재 등이 널리 연구되고 있다. 하지만 홍 교수팀은 쉬운 길을 버리고 완전히 새로운 소재를 찾아 나섰다. 그는 “대학에서는 연구자이자 교육자로서 당장 성과를 낼 수 있는 연구보다는 10~20년 이후를 대비하는 기초 기술을 깊게 연구할 수 있다”며 “제자들이 사회에 발을 디딜 때 지금 하는 연구가 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
다만 이를 위해서는 넘어야 할 산이 많다. 새로운 소재에 맞는 양극재와 음극재도 찾아야 하고, 에너지 효율도 리튬이온전지를 넘어서야 한다. 홍 교수는 “배터리가 충·방전될 때는 배터리 내부에서 무수히 많은 화학반응이 일어난다”며 “신소재를 발굴하는 동시에 배터리가 어떻게 작용하고, 그 안에서 어떤 일이 일어나는지 깊이 이해할 수 있는 연구에도 매진하겠다”고 말했다. 
