"전고체·LFP 배터리 말고 또 있다?" 현재 개발 중인 배터리 기술은?

이차전지 시장이 빠르게 성장하고 있는 가운데 개발 중인 배터리 기술이 약 10개에 달하는 것으로 나타났다. 대부분 전기차에 쓰이는 리튬이온배터리를 비롯해 최근 차세대 배터리로 주목받고 있는 전고체 배터리 등이다.
4일 업계에 따르면 전기차에 대표적으로 쓰이는 전기차용 배터리는 리튬이온배터리다. 이 배터리는 충·방전이 가능한 이차전지의 일종으로 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지를 말한다. 지난 1991년 최초로 상용화된 이후 현재까지도 다양한 분야에서 사용되고 있다. 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 빠른 충전 등이 장점이지만, 화재 위험 등 안전 문제는 단점으로 꼽힌다.

하지만 업계는 리튬이온배터리 외에도 9가지의 다양한 배터리 기술 개발에 나서고 있다. 우선 업계는 기존 리튬이온배터리의 음극재에 주원료로 사용되는 흑연을 실리콘으로 대체한 실리콘 음극재 배터리를 개발 중이다. 실리콘은 흑연은 탄소 6개당 리튬이온 1개를 저장하는 반면, 실리콘은 실리콘 원자 1개당 리튬이온 4.4개를 저장할 수 있다. 즉 에너지 밀도를 획기적으로 높여 전기차의 주행거리를 늘리는 것은 물론 급속 충전 설계에도 유리하다.

두 번째는 전고체 배터리다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이의 액체 전해질을 고체로 대체하는 개념이다. 그래서 폭발 위험이 줄어드는 것은 물론 액체 전해질보다 전도 성능이 향상된다는 장점을 가지고 있다. 즉 화재 위험은 적은데 더 향상된 성능을 확보해 주행거리를 더 늘릴 수 있다. 대표적으로 LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계를 동시에 개발하고 있다. 삼성SDI는 오는 2027년 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있고 SK온은 2025년 황화물계 전고체 배터리 시제품을 개발, 오는 2029년 양산 돌입이 목표다.


세 번째는 리튬황배터리다. 이 배터리는 양극 소재로 황을, 음극 소재로 리튬 금속을 사용한 전지를 말한다. 리튬이온배터리가 양극재로 가격이 비싼 코발트를 사용하는 반면, 리튬황배터리는 저렴한 황을 이용하는 것이 특징이다. 리튬황배터리는 자원이 풍부하고 가격이 저렴한 황을 사용하므로 가격 경쟁력이 뛰어나고 무게당 에너지 밀도가 리튬이온배터리 대비 2배가량 높기 때문에 경량화에도 강점이 있다. 이외에도 코발트, 니켈 등의 희귀 금속 재료를 사용하지 않으므로 친환경적이라는 장점도 가지고 있다.

네 번째는 니켈수소배터리다. 이 배터리는 양극에 니켈, 음극에 수소저장합금, 전해질에 알칼리 기반의 수용액을 사용한 이차전지를 말한다. 니켈수소 배터리는 저렴한 가격, 저온에서의 우수한 특성, 과충전·과방전에 강하다. 또 환경 오염 물질을 거의 사용하지 않아 친환경적이라는 점도 장점으로 꼽힌다.


다섯 번째는 CATL 등 중국 배터리 업체의 주력 제품인 코발트 프리 배터리인 LFP(리튬·인산·철)다. LFP는 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리 대비 가격이 저렴하고 화재 위험이 낮다는 장점이 있다. 하지만 에너지 밀도가 떨어져 주행거리가 짧다는 점은 단점으로 꼽힌다. 현재 국내 배터리 업체들도 LFP 배터리 개발에 본격적으로 나섰다.



여섯 번째는 나트륨배터리로 기존 리튬이온배터리에 사용된 리튬을 나트륨으로 대체한 제품이다. 나트륨은 소금(염화나트륨)의 주성분으로 지구에 여섯 번째로 많은 원소다. 매장량도 리튬의 440배에 달하고 가격도 80분 1 수준이다. 높은 매장량과 낮은 가격으로 인해 향후 저가형 배터리 시장에서 중요한 역할을 할 배터리로 평가받고 있다. 현재 나트륨배터리 양산에 나선 곳은 CATL과 BYD 등 중국 업체다. CATL은 최근 중국 체리자동차에 나트륨이온 배터리를 납품하기로 했다.


이외에도 양극에 아연, 음극에 산화망가니즈를 사용한 아연-망간산화물 배터리, 양극에 텅스텐과 탄소나노튜브를 사용한 나노볼트 텅스텐 배터리 등이 있다. 텅스텐은 주기율표 중단 족에 속한 회백색의 금속 원소를 말한다. 탄소나노튜브는 전기와 열전도율이 구리 및 다이아몬드와 동일하고 강도는 철강의 약 100배에 달하는 신소재다.


김정희 글로벌이코노믹 기자 jh1320@g-enews.com