리튬메탈 배터리

제너럴모터스가 공개한 리튬메탈 배터리 프로토타입

리튬메탈 배터리(Lithium Metal Battery)는 리튬이온 배터리의 음극재인 흑연이나 실리콘을 리튬메탈로 대체한 제품이다. 에너지 밀도를 1000Wh/L 이상으로 높일 수 있다. 리튬메탈 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 두 배가량 효율적이다. 주행거리 확대나 차량 경량화에 따른 에너지 절감이 가능하다. 리튬메탈 배터리를 상용화하기 위해서는 충전 과정에서 리튬 이온 결정이 생기는 것을 막는 기술이 필요하지만 아직 개발하는 중이다. 이 결정이 생기면 열을 일으켜 불이 날 가능성이 있다.

2021년 3월, 제네럴모터스(GM)가 최대 965km(600마일) 주행이 가능한 신규 리튬메탈 배터리를 선보여 화제다. 신형 GMC 허머 EV에 탑재되는 이 배터리는 약 350마일(563km)의 주행거리를 제공하며 모델에 따라서는 450마일(724km)을 넘어서는 것으로 알려졌다. 새로운 배터리는 액체 전해질을 사용해 에너지 밀도는 두 배로 높아져 주행가능거리는 최대 600마일까지 확대되며, 비용은 최대 60% 저렴해질 것으로 예상된다. GM은 미시간주 워렌에 위치한 글로벌 기술연구소에서 15만마일(24만km)에 달하는 배터리 모의실험을 끝냈으며 이는 지난 2015년, 미국 배터리 개발업체 솔리드에너지시스템(SES) 투자 결정에 이은 결과물이이라는 설명이다.

SK이노베이션도 2020년부터 노벨상 수상자 존 굿이너프 미국 텍사스대학교 교수와 손잡고 한국 최초로 리튬 메탈 배터리 개발에 나섰다.

개요

리튬메탈 배터리는 리튬 금속을 음극으로 사용하는 배터리이다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 또한 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 2차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다. 하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴드라이트로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬이온 배터리가 먼저 상용화됐다.

음극 소재 중 하나인 리튬금속은 3,842mAh/g의 높은 이론 에너지 밀도와 함께 매우 낮은 산화환원전위(-3.04V vs. S.H.E) 및 0.59g/㎤의 밀도를 갖는 반면, 흑연 음극 재료는 372mAh/g의 이론 에너지 밀도와 리튬금속 음극에 비해 높은 산화환원전위와 밀도를 갖는다.

따라서 흑연 음극을 리튬 음극으로 바꿀 경우, 기존 LiB의 무게당 에너지 밀도를 크게 할 수 있다. 기존 리튬이온 배터리 양극과 LiM 음극을 사용하는 리튬메탈 배터리가 상용화된다면, 멀지 않은 미래에 높은 에너지 밀도 요구를 충족하는 새로운 이차전지를 볼 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

발전

리튬금속 배터리의 역사는 1970년대 초에 시작되었으며, 오늘날 널리 쓰이는 리튬이온 배터리의 개발과 밀접하게 관련되어 있다.

당시의 석유 위기와 처음으로 대두된 석유 고갈에 대한 두려움이 맞물린 결과, 자동차 산업 태동기 이래 처음으로 전기차에 대한 관심이 다시 일어났다. 과학 저술가 세스 플레처(Seth Fletcher)가 저서 '병에 든 전등(Bottled Lighting)'에서 설명한 것처럼, 1972년까지 아메리칸모터즈(American Motors), 크라이슬러, 포드, GM, 토요타, 폭스바겐 등은 모두 전기차를 연구하고 있었다. GE, 다우케미컬, 엑손 등 대규모 기업의 연구실에서도 더 나은 배터리용 화학물질을 찾고 있었다.

당시 주류였던 납산축 배터리는 가솔린 엔진의 주행거리나 속도를 따라잡을 수 없었다. 1969년 GM의 실험적 전기차 '512'모델의 최고 속도는 시속 30마일 (약 50㎞), 주행거리는 47마일 (약 75㎞)였다.

1972년 엑손의 연구부서는 스탠포드대학에서 박사후 과정을 수료한 스탠리 휘팅엄(Stan Whittingham)이라는 젊은 화학자를 고용했다. 특히 그는 이온의 이동을 용이하게 해 주는 결정성 물질을 개발하고 있었다. 입사 후 휘팅엄과 동료들은 유망한 양극용 다공성 물질인 이황화티타늄을 실험하기 시작했다. 그들은 이 물질을 전자를 쉽게 방출하는 고반응성 물질인 금속리튬재 양극과 짝을 지었다. 이는 경이로울 정도로 잘 작동했다.

연구팀은 1973년 특허를 신청했고, 1976년 사이언스에 논문을 발표했으며, 1977년의 한 자동차 전시회에서 더 큰 크기의 배터리를 선보였다.

1980년대 초가 되자 석유위기가 끝났다. 엑손의 새 경영진은 연매출 1억 달러 규모의 시장이 될 전망이 없는 사업에서 철수하기로 했다. 이 회사는 전기차 및 배터리 개발을 중단했다. 휘팀엄은 "회사가 보기에 이 분야는 너무 작은 시장이었다"라고 말했다.

리튬메탈 배터리는 납축전지보다 훨씬 우수했지만, 실험실에서 빈번히 화재를 일으키는 등 엑손팀이 해결하지 못한 내재적 단점도 있었다.

리튬메탈 배터리의 상용화를 시도한 다른 사람들도 비슷한 문제에 부딪혔다. 1980년대 브리티시컬럼비아대의 몰리에너지(Moli Energy)는 노트북 및 휴대폰용 2.2V 리튬메탈 배터리를 개발했다. 그러나 1989년 일본에서 휴대전화에 불이 나 사용자가 화상을 입는 사고가 일어났다. 조사 결과 배터리가 원인으로 드러났고, 결국 수천 대의 휴대폰이 리콜되고 회사는 법정관리에 들어갔다.

한편, 휘팅엄의 연구에 기반한 후속 연구도 이뤄지고 있었다. 현재 텍사스주립 오스틴스대학 교수로 재직 중인 존 구디너프(John Goodenough)는 보다 많은 에너지를 저장할 수 있는 양극을 개발하기 위해 이황화티타늄 대신 산화코발트를 사용했다. 메이조대학(Meijo)의 아키라 요시노(Akira Yoshino) 교수는 순수한 리튬 음극을 코크스(다른 형태의 탄소)로 대체했다. 이 물질은 리튬 이온을 많이 저장할 수 있으면서도 화재 위험은 줄였다. 마지막으로 소니 연구원들은 이 조각들을 짜맞춰서 1992년 최초의 상용 리튬이온 배터리를 개발해냈다. 휘팅엄, 구디너프, 요시노는 이러한 혁신에 기여한 공로로 2019년 노벨화학상을 공동 수상했다.

리튬이온 배터리가 노트북PC와 휴대폰, 전기차 등에 쓰이며 큰 성공을 거두면서 리튬금속 기술을 상용화하려는 노력은 한동안 중단되었다. 그러나 보다 효율적인 에너지 저장 형태가 될 리튬금속의 잠재력을 결코 잊지 않은 소수의 사람들이 있었다. 특히 가연성 용매인 액체 전해질을 고체 물질로 대체하는 것이 유력한 대안으로 간주되었다.

2000년경 오크릿지국립연구소의 한 연구팀은 고체 리튬금속 기술을 사용하는 박막전지(스마트카드 및 심장박동기와 같은 소형 전자장치용)를 시연했다. 박막전지의 생산 과정과 크기 및 모양으로 인해 시계 정도의 크기를 가진 물건 정도로 용도가 제한된다고 메릴랜드대학의 배터리전문가인 폴 알버투스(Paul Albertus)는 말한다. 그러나 이 연구는 리튬메탈 배터리가 실용화될 수 있다는 증거가 되었다.

2000년대 후반에는 다양한 신생 기업들이 이 기술을 다시 추구하기 시작했다. 그러나 그것은 가시밭길이 되었다.

일부는 이미 문을 닫았다. 2007년 설립된 시오(Seeo)는 독일 보쉬가 인수했지만, 보쉬는 나중에 배터리 연구를 중단했다. 2011년 프랑스에 본사를 둔 볼로레(Bolloré)는 최초로 고체 리튬메탈 배터리를 차량에 장착하고 블루카(Bluecar)라는 차량공유 서비스를 출시했다. 그러나 이들이 사용한 폴리머 기반 전해질은 고온에서만 작동하기 때문에, 이 배터리는 승용차에만 쓸 수 있었다.

그러나 다른 몇몇 회사들은 최근 보다 많은 발전을 이룩했다. 특히 2020년 12월 퀀텀스케이프의 설명회 이틀 후, 2012년 설립된 콜로라도주 스타트업 솔리드파워(Solid Power)가 오늘날 전기차 배터리의 성능을 능가하는 22층 리튬메탈 배터리의 시제품을 이미 생산 중이라고 발표했다.

그리고 2021년 1월 미국 에너지부의 ARPA-E 사업부는 배터리 기업 24M 및 카네기멜론대 비스와나탄의 전기비행기용 리튬메탈 배터리 연구에 900만 달러를 투자한다고 발표했다. 전기비행기용 배터리는 단위면적당 저장되는 에너지와 방출할 수 있는 동력이 중요하다.

모든 리튬메탈 배터리 개발사들의 관건은 화재와 수지상돌기를 방지하면서도 이온이 쉽게 통과되고 배터리의 성능이 저하되지 않는 전해질 물질을 찾아내는 것이다. 이것이 바로 퀀텀스케이프가 자신들의 성과라고 주장하는 것이다.

이 회사의 기원은 2009년으로 거슬러 올라간다. 싱은 자신이 공동 창업한 네트워크 기술 기업 인피네라(Infinera) 사장 자리에서 물러날 준비를 하고 있었다. 그러면서 스탠포드대 박사후 연구원 팀 홈(Tim Holme)과 그의 지도교수 프리드리히 프린츠(Friedrich Prinz)가 연구한 새로운 배터리 소재 기술을 기반으로 그들과 창업을 논의하기 시작했다.

이들 삼총사는 이듬해 퀀텀스케이프를 공동 창업하여 에너지 밀도가 높은 고출력배터리 개발에 착수했다. 초기에는 전전자 배터리 (all-electron battery)로 알려진 완전히 새로운 형태의 배터리를 만들려 했지만, 개발은 처음 예상보다 어려웠다.

이 때쯤 회사는 클라이너퍼킨스(Kleiner Perkins와 코슬라벤처스(Khosla Ventures) 같은 벤처캐피탈에서 수천만 달러의 투자를 유치했다. 충분한 자금을 확보한 퀀텀스케이프는 리튬금속 기술로 조용히 방향을 전환할 수 있었다.

회사는 이후 5년을 고체 전해질에 적합한 재료를 찾는데 보냈다고 싱은 말한다. 그런 다음 결함과 수지상돌기 방지에 필요한 구성과 제조 공정을 만들기 위해 또 5년을 보냈다. 이 회사는 자사 전해질 소재가 세라믹이라는 것 외에 다른 것은 밝히지 않고 있다.

지금까지 발표된 퀀텀스케이프의 모든 시험은 단층 배터리 셀에 대해 이루어졌다. 그 후 회사는 4층 셀을 생산해, 테스트에서 비슷한 결과를 얻었다고 발표했다. 차량에 적용하려면 수십 겹의 층이 들어찬 배터리를 생산해야 한다. 이는 마치 한 장의 카드를 다루다가 수십 장의 카드가 쌓인 카드 덱을 다루는 것과 같다. 그리고 수십년 간 배터리 시장의 절대 강자였던 리튬이온 배터리와 경쟁할 수 있도록 저렴한 배터리 제조법도 찾아야 한다.

이는 엔지니어링 측면에서 결코 만만한 과제가 아니다. 알버투스는 "개발은 여전히 진행 중입니다. 10년 간 3억 달러와 150명의 인력을 투입해 겨우 이 작은 카드하나를 완성한 것"이라며 "아직 수천 톤 규모의 배터리 공급은 요원한 상태이며, 그것은 정말 어려운 과제다"라고 말했다. 몇몇 배터리 연구자들은 4년 안에 생산 규모를 확장하고 안전 시험을 완료해 전기차에 적용할 수 있다는 퀀텀스케이프의 주장에 심각한 의구심을 가지고 있다.

이 회사의 성과와 다른 스타트업의 고무적 발표를 감안할 때, 대부분의 배터리 업계 관계자들은 수십년 간 리튬금속이 극복하지 못한 문제가 해결될 가능성이 높다고 여기고 있다. MIT 테크놀로지 리뷰가 이 기술을 '2021 10대 미래 기술'에 선정한 이유이다. 그러나 휘팅엄이 엑손에 합류한 후 이루어진 모든 진전에도 불구하고 여전히 수년 간의 연구 개발이 더 필요하다는 것도 명확한 사실이다.

국내 연구성과

연구성과가 게재된 국제학술지 'Advanced Energy Materials' 표지

• 국내 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 '리튬금속 이차전지'의 수명과 출력을 개선하는 기술을 개발했다. 리튬금속전지는 리튬이온전지의 한계를 극복한 전기차용 이차전지의 대안으로 주목받아 왔다. 하지만 리튬금속전지 역시 충·방전을 거듭할수록 리튬금속 표면에 나뭇가지 모양의 수지상결정(dendrite)이 형성되어, 전지의 수명이 짧고, 화재나 폭발 등에 취약하다는 약점이 드러났다. 또 수지상결정 형성은 리튬금속에 보호막을 도입하여 해결할 수 있으며, 높은 농도의 전해질을 사용하면 효과적인 해결책으로 알려져 있으나 출력 성능 저하로 전기차용 이차전지로 사용하기에는 적합하지 않았다. 이에 따라 연구팀은 두 개의 전해질 염(LiPO₂F₂과 LiTFSI)을 사용해 전지의 수명을 확보함은 물론 고성능의 출력을 낼 수 있는 기술을 순수 국내 연구로 개발했다. 리튬금속전지의 문제인 수지상결정 형성을 억제하기 위해 두개의 전해질 염을 활용하여 리튬금속 보호막을 제작하는 기술을 적용하게 됐다. 동시에 고농도 전해질의 한계였던 이온전도도는 전기자동차용 이차전지로 사용하기에 적합한 수준인 5mS/cm 이상을 보여 출력 성능 역시 높였다.

LBS 코팅 기술을 이용한 이황화몰리브덴 Langmuir-Blodgett 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase (MoS LBASEI))와 리튬-알루미늄 합금을 이용한 음극과 덴드라이트의 성장 형태에 대한 개념도(한국과학기술연구원)

• 리튬금속 음극을 사용하는 2차전지는 리튬의 삽입/탈리 반응을 하지 않는(예를 들어 S8 및 O2) 양극도 선택할 수 있어 매우 유리하다. 그러나 리튬의 높은 화학적 반응성과 관련된 본질적인 문제로 거의 모든 전해질(액체, 또는 고체)과 접촉 시 자발적으로 불안정한 고체-전해질 계면을 형성하고, 전지 재충전 시 리튬 전착의 형태를 제어하기가 대단히 어려워 리튬금속 전지를 실제로 구현함에 있어서 많은 어려움을 겪는 상황이다. 특히, 리튬금속 음극은 전기화학적 반응성이 높기 때문에, 낮은 쿨롱 효율로 충전과 방전이 계속되면 전해질과 리튬이 빠르게 소모돼 전지의 수명은 더욱 짧아진다. 더불어, 전해질과 리튬 음극의 부반응으로 생성된 불안정한 고체-전해질 계면상(SEI)은 리튬 음극 표면에 리튬 수지상 성장을 유도해 전지의 사이클 수명과 안전성을 저해한다. 양극 표면에서의 전해질 산화 또한 양극-전해질 계면(CEI) 생성으로 이어지고, 높은 전압에서 전해질이 지속적인 산화가 일어나는 불안정성 때문에 전지 수명 특성이 악화돼 전지개발이 쉽지 않다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 조원일 박사팀은 이러한 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다. 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성 제거를 위해 리튬금속 음극 표면에 랭뮤어-블로짓 방법을 이용해 이황화 몰리브덴 인공 고체-전해질 계면상(artificial solid-electrolyte interphase, ASEI)을 적용, 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상으로 이미 2018년 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다. 이와 동시에 리튬-알루미늄 합금을 사용한 전지를 개발, 리튬금속전지의 성능과 수명 특성을 향상시켰다. 연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다. 이번 연구에서는 특히, 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고, 복잡한 제조공정을 단순화 및 전지의 안정화에 연구력이 집중됐다.

참고자료

• 김미영 기자, 〈GM, ‘최대 965km’ 신규 리튬 메탈 배터리 선보여...비용 60%↓〉, 《지피코리아》, 2021-03-14
• 김벼리 기자, 〈최태원-정의선 공유한 '리튬-메탈 배터리'는?〉, 《이투데이》, 2020-07-07
• 정한교 기자, 〈국내 연구진, 리튬금속전지 체질개선으로 상용화 앞당겨〉, 《인더스트리뉴스》, 2019-11-19
• James Temple, 〈리튬금속 배터리, 전기차 전환 앞당긴다〉, 《MIT테크놀로지 리뷰》, 2021-03-10
• 유일한 기자, 〈SK이노베이션, 차세대 리튬메탈 배터리 개발한다〉, 《모터매거진》, 2020-08-03
• 고석중 기자, 〈국내연구진, 전기자동차용 리튬금속전지 상용화 기술 개발〉, 《뉴시스》, 2021-02-18
• 정한교 기자, 〈국내 연구진, 리튬금속전지 체질개선으로 상용화 앞당겨〉, 《인더스트리뉴스》, 2019-11-19

같이 보기

• 하이브리드 리튬메탈 배터리
• 리튬이온 배터리
• 리튬 황 배터리
• 리튬공기전지
• 퀀텀스케이프

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