매년 50%씩 성장하는 ‘전기차’
2023년 131억달러 ‘ESS 시장’
리튬이온배터리 중요성 점점 UP

에너지저장장치(ESS)와 전기차, 스마트폰, 노트북까지. 전선 없이 전자제품을 사용하기 위해 배터리는 이제 일상생활의 필수 요소로 자리 잡았다. 특히 리튬이온배터리는 상용화된 배터리 중 가장 효율이 높아 그 쓰임새가 확장됨에 따라 우리나라의 새로운 미래 먹거리로 부상했다.

실제 국내 배터리 3사가 지난해 글로벌 자동차 기업으로부터 신규 계약한 전기자동차용 배터리 수주액은 LG화학이 40조원, 삼성SDI가 40조원, SK이노베이션이 30조원으로 110조원으로 추청된다.

이는 우리나라 경제를 이끌고 있는 반도체의 연간 수출액인 1267억달러(약 141조원)에 근접한 것으로 조만간 배터리의 반도체 역전이 예상된다. 이미 석유화학, 자동차, 철강의 연 수출액은 넘어섰고, 지난해 우리나라 수출액 680조원 중 16%에 이르는 규모다. 배터리가 대한민국 경제의 미래를 이끈다는 이야기가 나오는 것도 이 때문이다.

전기차 시장은 매년 40~50% 이상 성장하고 있으며, 세계 ESS 시장 또한 2023년엔 131억 달러(약 15조원)에 달할 것으로 예상되면서 리튬이온 배터리의 중요성은 더 커질 것으로 보인다.

◆배터리 특성을 결정짓는 양극과 수명을 책임지는 음극

‘리튬이온배터리’는 리튬의 화학반응을 전기에너지로 변환하는 장치다.

양극은 배터리의 특성을 결정짓는 중요한 요소다. 어떤 양극활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되기 때문이다. 리튬을 많이 포함한다면 배터리 용량이 커지게 되고, 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 커진다.

양극은 리튬이 저장되는 장소인데, 리튬 자체는 화학 반응이 불안정해 리튬과 산소를 결합한 리튬산화물이 양극에 사용된다.

충전 때에는 양극을 이루는 물질 중 리튬이온만 음극으로 옮겨간다. 방전 때에는 리튬이온이 양극으로 돌아가게 된다. 이 과정에서 전기가 생기게 되는 것이다.

음극은 배터리의 수명에 가장 중요한 역할을 한다. 충전과 방전을 반복하는 2차전지는 오래 사용하다보면 사용할 수 있는 시간이 줄어들게 된다. 모든 기기가 그렇듯 배터리도 오래 사용하다보면 수명이 줄어들기 때문이다.

리튬이온배터리의 음극 소재로 사용되고 있는 물질은 흑연이다. 흑연은 탄소가 규칙적인 형태로 구조를 이룬 형태다. 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하면 리튬이온은 흑연 층 사이로 들어가 저장된다.

리튬이온이 흑연을 오가면서 음극의 부피가 변하게 되는데, 이 과정에서 흑연 구조에 변화를 일으키면서 수명도 감소하게 된다. 배터리를 오래 쓰면 사용시간이 줄어드는 것도 바로 이 때문이다.

음극의 부피 변화는 배터리 용량에도 영향을 미칠 수 있다. 제품을 만들 때 제품 내부에서 발생할 수 있는 구조적 변화를 반영해 여유를 두고 배터리를 설계하기 때문이다. 따라서 팽창이 많이 되는 음극 소재를 사용하게 되면 용량이 줄고, 덜 팽창하는 소재를 사용하면 높은 용량을 가질 수 있다.

음극 소재는 구조적으로 안정적이고, 리튬이온을 많이 저장할 수 있어야 하며, 가격 경쟁력 또한 있어야 한다. 현재로써는 이런 조건들과 맞는 음극 소재가 흑연이지만, 흑연 대비 에너지 밀도가 10배 높은 실리콘도 차세대 음극 소재로 떠오르고 있다. 구조적 안정성에 있어서는 흑연보다 떨어져 이부분에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.

◆매개체 전해액과 안정성을 위한 분리막

배터리가 작동하기 위해서는 리튬이온이 양극과 음극을 원활하게 이동할 수 있어야 한다. 이때 리튬이온을 운반하는 것이 바로 전해액이다.

전해액은 배터리 내부 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 잘 이동할 수 있도록 하는 매개체 역할을 하는 물질이다. 양극과 음극의 표면을 안정화하고 배터리의 수명이나 셀 특성을 향상시키는 역할 또한 하고 있다.

전해액은 리튬이온의 이동 통로인 염과, 염을 용해하기 위한 물질인 용매, 배터리 셀의 수명 출력 등 특성을 개선하기 위해 첨가하는 첨가제로 구성된다.

전해액은 리튬을 잘 이동시킬 수 있도록 염과 용매의 종류와 함량 비율을 적절히 사용해야 한다. 또 배터리가 작동되는 동안 예상되지 않은 반응이 일어나지 않도록 전기적·화학적으로 안정돼야 한다. 이에 더해 배터리가 언제나 작동할 수 있도록 어는점이 낮아야 하고 끓는 점은 높아야 한다.

최근에는 전해핵을 액체가 아닌 고체로 바꾼 전고체전지가 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 전고체전지는 발열과 인화성같은 위험이 없어 안전하고, 충전 속도도 빨라진다는 특성이 있다. 하지만 아직까지는 리튬이온전지에 비해 성능이 떨어져 이를 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다.

분리막은 배터리의 안정성을 결정짓는 구성요소다. 전기가 통하지 않는 절연 소재의 얇은 막으로 미세한 공기 구멍을 가지고 있는 다공성 필름이다.

분리막은 우선 양극과 음극이 직접적으로 만나면 쇼트가 발생하기 때문에, 서로 만나지 않도록 물리적 접촉을 차단하는 역할을 한다. 또 미세 구멍을 통해 리튬이온이 이동할 수 있는 통로를 제공해 충방전이 가능하도록 해준다. 더불어 셀의 온도가 적정 수준 이상이 되면 미세 구멍을 차단해 내부 쇼트를 방지하는 기능 또한 있다.

분리막은 리튬이온을 포함해 배터리 내부에 있는 여러 종류의 이온에 반응하지 않아야 한다. 그러기 위해서는 전기적·화학적으로 안정적이어야 하고 절연 특성이 뛰어나야 한다. 또 분리막은 성능과는 관련이 없기 때문에 분리막의 두께가 얇을수록 좋지만, 안정성을 위해 기계적 강도는 높아야 한다.

◆리튬이온 배터리의 충방전 원리

충전이 진행되는 경우 양극에 있던 리튬이온과 전자가 음극판으로 들어가게 된다. 이때 리튬 이온은 전해액을 통해서 이동하고, 전자는 도선을 통해서 이동한다. 양극에 있던 전자는 전압에 의해 음극으로 이동할 수 있다. 양극에 위치하고 있던 리튬 이온과 전자가 음극으로 모두 이동하게 되면 충전이 다 된 상태가 된다.

충전을 마치면 배터리를 사용할 수 있는데 이때 방전 반응이 일어난다. 방전은 충전을 음에 있는 리튬이온과 전자가 양극으로 이동하면서 에너지를 방출하는 과정이다. 음극에 있던 방전은 전류에 의해 양극으로 흘러 들어가게 된다. 이 에너지를 통해 스마트폰, ESS, 전기차 등이 움직일 수 있는 것이다.