July 17,2018

올해 주목받을 배터리 소재는?

나트륨 및 그래핀 연구 활발… 차세대 원료로 각축

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‘미래의 첨단 세상은 얼마나 효율이 좋은 배터리가 개발되느냐에 따라 빨리 올 수도 있고 더디게 올 수도 있다’라는 말이 있다. 지속가능한 미래를 위해서는 지금보다 훨씬 더 뛰어난 기능의 배터리가 준비되어 있어야 한다는 의미다.

리튬이온 배터리를 대체하려는 연구가 선진국을 중심으로 치열하게 진행되고 있다 ⓒ free image

리튬이온 배터리를 대체하려는 연구가 선진국을 중심으로 치열하게 진행되고 있다 ⓒ free image

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

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. (관련 기사 링크)

차세대 배터리 원료인 나트륨은 고갈 걱정 없어

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.

아쉽다면 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 열을 올렸고, 지난 2015년에는 리튬 이온 배터리에 대비해 80% 정도의 효율을 낼 수 있는 나트륨 배터리 개발에 성공하기도 했다.

CNRS에서 분사한 스타트업인 Tiamat社가 개발한 나트륨이온 배터리

CNRS에서 분사한 스타트업인 Tiamat社가 개발한 나트륨이온 배터리 ⓒ Tiamat

이 같은 결과에 대해 CNRS의 관계자는 “오는 2020년까지 리튬이온 배터리의 효율에 버금가는 18650 규격의 나트륨 이온 배터리를 시장에 출시하겠다”라고 공언했다. 18650 규격은 산업용 배터리에 널리 사용되고 있는 규격을 의미하는 것으로서, 지름 18mm에 길이 65mm의 배터리를 말한다.

CNRS가 공개한 18650 규격의 나트륨이온 배터리를 살펴보면 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.

한편 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.

그래핀 활용한 배터리도 차세대 배터리로 주목

나트륨만큼이나 차세대 배터리 소재로 주목을 받고 있는 물질은 바로 그래핀(Graphene)이다. 그래핀이란 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연의 한 층을 가리키는 것으로서, 전자 이동성이 빠르고 열전도성이 뛰어나며 강도도 높아서 미래에 사용될 신소재로 각광받고 있다.

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

삼성전자가 개발한 배터리 소재인 그래핀 볼의 현미경 사진 ⓒ 삼성전자

삼성전자가 개발한 배터리 소재인 그래핀 볼의 현미경 사진 ⓒ 삼성전자

이뿐만이 아니다. 그래핀을 활용한 배터리는 전기자동차에도 활발하게 적용되고 있다. 최근 테슬라에 도전장을 내민 피스커(Fisker)社는 한번 충전에 640㎞ 정도를 달릴 수 있는 전기자동차인 ‘이모션’을 개발했다고 발표하여 자동차업계를 놀라게 만들었다.

자동차업계가 놀란 이유는 주행거리도 주행거리지만 그래핀 배터리를 탑재한 전기자동차라는 점 때문이었다. 물론 그 후에 그래핀 배터리가 아닌 LG화학의 리튬이온 배터리를 탑재하겠다고 발표하여 한바탕 해프닝으로 끝났지만 피스커社는 조만간 그래핀 배터리를 탑재한 전기자동차도 선보이겠다고 공언했다.

피스커社는 당초 ‘나노테크’라는 에너지 전문 스타트업이 개발 중인 그래핀 배터리를 이모션에 탑재한다는 계획을 갖고 있었다. 하지만 기간 내 개발을 완료할 수 없었던 것으로 알려지면서 LG화학의 리튬이온 배터리를 사용하기로 방향을 선회한 것으로 알려졌다.

이에 대해 피스커社의 관계자는 “조만간 1회 충전에 640㎞를 달릴 수 있고, 최고 시속 257km의 속도를 낼 수 있으면서도 9분 내에 완전 충전이 가능한 그래핀 배터리 장착 전기자동차를 선보이겠다”라고 밝혔다.

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