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리튬이차전지 시장의 개발 현황과 전망

다양한 분야에 활용가능한 리튬이차전지, 실리콘으로 국내 제조 가능해

현대사회에 사는 사람이라면 모바일 전자기기의 편리함을 느끼지 않는 사람은 없을 것이다. 휴대폰도 그렇고 사무실에서나 출장을 가서나 편리하게 사용하는 노트북이나 PDA가 또한 그렇다. 이외에도 디지털 카메라, 스마트 워치 등 거의 모든 연령대에서 이 휴대용 전자기기를 사용하고 있는 것이다. 그런데 이 휴대용 전자기기를 구동하게 하는 필수적인 장치가 있으니, 이것이 바로 배터리이다. 최근 삼성전자에서 개발한 Galaxy Note 7이 중국산 저가 배터리 소재를 부품으로 사용하였다가 폭발하여 2조원대의 손실을 입고 전량 리콜 되는 사태가 벌어졌다. 이렇게 휴대폰에서는 배터리가 중요한 역할을 차지하며 특히 전극소재가 매우 중요하다. 이 휴대용 전자기기에 사용하는 배터리는 일회용 배터리가 아니라 여러 번 충·방전이 가능한 이차전지이다. 이차전지라고하면 보통 자동차 배터리로 사용하는 납축전지를 연상하는데, 이는 그 무게와 납의 독성 그리고 전해액인 황산의 부식성 때문에 휴대용 전자기기에는 사용할 수가 없는 것이다. 따라서 현재의 모바일 전자기기에 사용하는 이차전지는 무게가 가볍고 환경친화적인 리튬이차전지를 주로 사용하고 있다.

그런데 이 리튬이차전지가 휴대용 전자기기에만 쓰이는 것이 아니라 자동차에도 쓰인다는 사실이다. 그것도 단순한 전자부품으로만 쓰이는 것이 아니라 자동차의 전체동력을 책임지는 엔진의 성능을 대신하는 것이다. 이 전기자동차는 수십 년 전부터 그 중요성이 인식되어왔으나, 제작비용과 일회 충전으로 갈 수 있는 주행거리 때문에 실용화가 계속 미루어져 왔다. 그러나 최근 화석연료의 고갈과 자동차 배기가스로 인한 환경오염 문제 때문에 개발속도가 예상보다 빨라져서, 현재 전 세계적으로 테슬라를 비롯하여 여러 완성차 회사들이 경쟁적으로 전기자동차 시장에 개발제품을 내놓고 있는 실정이다.

한편 세계적으로 이슈가 되고 있는 대체에너지 개발에는 여러 나라에서 풍력이나 태양광 발전에도 경쟁적으로 많은 예산을 쏟아 붓고 있다. 그런데 이 풍력이나 태양광 발전소를 가동하려면 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)가 필요하다. 이 에너지저장장치의 기능은 바람과 시간 또는 날씨에 따라 불규칙하게 생산되고 있는 전기 에너지를 대량으로 저장했다가 사무실, 가정에 안정적으로 공급하는 것이다. 그런데 이 ESS에서도 핵심적인 장치가 또한 이차전지이다. 최근 이차전지 전문조사기관인 B3는 세계 ESS시장 규모가 2014년 5,731㎿h에서 2020년 8,226㎿h로 43.5% 늘어날 것으로 전망하고 있다.

휴대용 전자기기에 사용되는 이차전지는 일반적으로 소형으로 분류를 한다. 그러나 전기자동차나 에너지저장장치에 사용되는 이차전지는 용량을 기준으로 하여 중대형 이차전지로 분류가 된다. 간단하게 생각을 하여도 휴대폰 배터리 한 두 개로 자동차를 움직일 수 없듯이, 보다 용량이 큰 리튬이차전지를 수십~수백 개를 연결해야만 큰 장치를 구동할 수가 있는 것이다. 이차전지를 구성하는 전극재료를 볼 때, 휴대폰에는 10g 정도가 사용되지만 전기자동차에는 같은 전극재료가 10kg 이상 사용된다. 산술적으로 계산해도 한 대 당 휴대폰보다 1000배 이상의 소재가 사용되는 것이다. 그렇기 때문에 전체 이차전지 시장의 규모는 2020년도 기준으로 전기자동차가 50%를 차지하고, 에너지저장장치가 25%, 소형 모바일장치는 25% 미만의 시장을 형성할 것으로 전망된다.

그런데 휴대폰 완성품을 만드는 기술은 우리나라가 삼성SDI와 LG의 약진에 힘입어 전 세계시장을 석권하고 있는데, 막상 이차전지 소재에 관한 기술은 아직 선진국의 30~40% 수준이다. 리튬이차전지의 전극재료는 양극과 음극으로 구성되어 있는데, 양극재료는 국내시장이 잘 형성되어있어 95% 정도의 양극재료가 국산화되어있다. 그런데 음극재료는 아직 국산화율이 1% 미만이다. 그 이유는 이차전지 음극재의 소재가 주로 탄소인데, 중국산 흑연(Graphite)이 너무 저가로 국내에 공급되기 때문에 국내시장이 제대로 형성이 되지 못하고 있는 것이다.

그러나 이 문제는 앞으로 걱정할 필요가 없다. 왜냐하면 이차전지 시장은 소형 모바일이 차지하는 비중보다 중대형 장치가 차지하는 비중이 상대적으로 무척 더 크기 때문에 소형 장치에 연연할 필요가 없는 것이다. 소형에서는 큰 용량이 필요 없기 때문에 음극재로서 흑연이면 족하지만, 중대형에서는 고에너지 밀도가 요구되기 때문에 이론용량이 372mAh/g인 흑연소재로는 중대형에 적용할 수가 없어서 다른 차원의 신소재가 개발되어야 하는 것이다.

그렇다면 그 대안은 무엇인가? 바로 실리콘(Si)에 있다고 할 수 있다. 실리콘은 주기율표상으로 탄소와 같은 4A족 원소로서, 이차전지의 음극재로 사용할 시 그 충전용량이 탄소소재의 10배 이상인 4,200mAh/g에 달하면서도 지구상에서 산소 다음으로 풍부한 원소이기 때문에 가격이 저렴하다. 이 실리콘은 모래의 성분으로서 이 풍부한 자원인 모래를 환원하면 바로 실리콘이 된다. 그런데 이 실리콘은 리튬이차전지가 충·방전을 거듭할 때 격자구조 상 부피팽창이 일어나 장시간 사용할 때 사이클 특성이 현저하게 감소한다는 단점이 있다. 그러나 이 실리콘이나 산화실리콘의 부피팽창문제를 해결할 수 있는 방법이 있으니, 이것이 바로 필자가 현재 한국연구재단의 지원을 받아 연구개발하고 있는 탄소나노섬유-실리콘 복합소재기술이다.

이차전지의 현행 음극재인 흑연 대신에 탄화수소 가스를 촉매 열분해하여 탄소나노섬유를 만들고, 이 소재를 적절한 기술로 실리콘 또는 산화실리콘 상에 성장을 시키면 부피팽창 없이 고에너지 밀도와 장 수명을 갖는 중대형 이차전지의 전극재료로서 기능을 다 할 수가 있는 것이다. 이 두 가지 소재는 모두 국내에 풍부하며 또한 제조 가능한 기술이다. 그러면 쓸데없이 저가논리에 밀려 중국산 배터리 소재를 수입하여 Galaxy Note 7을 만들었다가 폭발하여 수 조원의 손실을 입고 전 세계적으로 망신을 당하는 일은 겪지 않아도 되지 않겠는가?




[독자마당] 봉사활동으로 채워지는 꿈 영원히 미성년에 머물러 있을 줄 알았던 내가 성년이 되었다. 봉사활동을 즐겨 하던 어린아이는 어느덧 스물두 살의 대학교 3학년이 되어 ‘청소년’의 끝자락을 향해 가고 있다. 몇 년간 봉사해 오니, 이것이 적성에 맞는 것 같다는 작은 불씨 하나를 발견하게 되었다. 진로를 향한 작은 불씨는 단순히 봉사활동으로 뿌듯함과 성취감을 느끼는 것이 아닌, 직업으로 삼아 다양한 연령층을 위해 복지를 지원하고, 클라이언트의 기본적인 생활을 영위할 수 있도록 돕고 싶다는 큰 불씨로 번지게 되어 사회복지학과에 진학하였다. 대학교에서 한 첫 봉사활동은 학교에서 진행하는 독거노인분들께 ‘편지 작성 및 생필품 포장, 카네이션 제작’이었다. 비록 정기적인 봉사는 아니었지만, 빼곡히 적은 편지를 통해 마음을 전해 드릴 수 있었기에 뜻깊음은 배가 되었다. 하지만 조금의 아쉬움은 있었다. 봉사활동이라고 하면 직접 대상자와 소통할 줄 알았는데 해당 봉사는 대상자와 면담하지 못하고, 뒤에서 전달해 드리는 것이었기 때문이었다. 그렇기에 가장 기억에 남는 봉사활동이 무엇이냐고 묻는다면 ‘장애아동어린이집‘에서 활동한 겨울 캠프 활동 보조일 것이다. 이곳에서 가장 힘들었던 것은 아동들이 다른 길로 가