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무음극배터리
무음극배터리(Anodeless battery)는 음극에 리튬이 없는 기재만을 사용하거나 극소량의 리튬만을 적용하는 차세대 배러리를 말한다. 애노드-프리(anode-free) 또는 애노드레스(Anodeless)라고도 한다. 음극재는 배터리 충전 속도와 수명에 영향을 준다. 음극재를 없애거나 줄이면 그만큼 배터리 에너지 밀도가 높아지고 수명도 길어진다. 현재 널리 사용하고 있는 흑연 음극재는 배터리는 성능을 끌어올리는 데 한계에 도달해 다른 물질로 대체하는 연구가 활발히 진행 중이다.
배경
전기차에 가장 많이 사용되는 리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 4대 요소로 구성된다. 현재까진 음극재가 없는 배터리는 사실상 불가능하다는 것이 업계의 정설이다.
리튬이온 배터리의 원리를 간단히 설명하면 양극재에 있는 리튬이온이 전해액을 통해 분리막을 거쳐 음극재로 이동할 때 에너지가 충전되고, 반대로 음극재에서 양극재로 리튬이온이 이동하면 전기가 발생하는 구조다. 양극의 리튬이온은 충전시 음극의 음극재로 삽입돼 저장된다.
글로벌 배터리 업체는 충전 시간을 줄이고 주행 거리는 늘리는 경쟁을 벌이고 있다. 현재 널리 쓰이는 음극재인 흑연 대신 실리콘이나 리튬금속을 쓰는 방안이 진행 중이다. 음극재는 배터리 제조 가격의 20%를 차지할 만큼 가격이 비싸다. 실리콘이나 리튬금속을 사용할 경우 생산 단가는 더 올라간다.
실리콘과 리튬금속에는 치명적인 단점이 있다. 실리콘 음극재는 흑연재보다 에너지 밀도가 10배 높고 충·방전 속도도 빠르지만, 충·방전시 부피가 3~4배 팽창하는 문제가 있다. 이는 배터리 화재의 원인이 될 수 있어 현재는 음극재에 실리콘을 5% 미만만 넣고 있다. 또 부서지기 쉽고, 전극에 잘 붙지 않아 별도의 접착제를 사용해야 한다. 리튬금속도 지금의 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 10배가량 높지만, 덴트라이트 현상으로 폭발 위험이 있다. 덴트라이트는 금속 표면에 비정상적으로 자라는 나뭇가지 형태의 결정으로 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.
현재 방식으로 에너지 밀도를 더 높이기 어렵다는 것도 기존 배터리의 한계이다. 많은 배터리 회사들이 에너지 밀도를 높이고자 여러 연구를 진행 중인데 에너지 밀도란 같은 무게의 배터리에서 얼마나 많은 에너지를 발생시킬 수 있느냐를 측정한 것으로, 배터리 성능을 가장 단적으로 나타내는 지표이다. 에너지 밀도가 높은 배터리가 좋은 배터리이기 때문에 많은 배터리 회사가 에너지 밀도를 개선하려고 노력하는데, 지금 당장의 배터리로는 에너지 밀도를 획기적으로 높이기는 불가능하다. 전고체 배터리 같은 차세대 배터리가 뜨는 이유도 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있는 배터리 형태이기 때문이다.
무음극배터리 기술 및 연구
2020년 3월, 삼성전자기술원은 네이처지에 음극재 대신 '석출형 리튬 음극 기술'을 적용한 배터리 구조에 관한 논문을 발표했다. 논문에 따르면 삼성이 발표한 무음극 배터리는 충전을 할 때 음극 표면에 리튬금속이 생기며 음극재 역할을 하고, 이후 충전이 끝나면 사라지는 구조이다. 사실상 별도의 음극재가 들어가지 않는 '무음극' 배터리인 셈이다. 이 배터리는 1,000번 이상 충·방전이 가능해 배터리 수명이 길고, 현재 출시된 전기차보다 주행거리도 길다고 한다.
최근에는 카이스트 연구진이 음극 활물질을 저장하는 구리 집전체를 사용해 음극재 없이도 음극 기능을 구현할 수 있는 기술을 발표했다. 연구진은 이 기술을 사용하면 전해질을 조금만 넣어도 실제로 전자가 이동하며, 음극재가 따로 없어도 리튬이온 배터리가 구현된다는 것을 입증했다. 연구진은 음극재 부품 중 집전체만을 사용해서 음극재 없이 음극 기능을 구현했다는 점에서 무음극 배터리를 구현할 수 있는 새로운 방향성을 제시했다고 설명했다.
무음극배터리는 음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극 부품으로 들어가며, 집전체 위에 높은 에너지밀도를 가지는 리튬 금속 형태로 에너지가 저장된다. 음극재가 없는 리튬 전지는 기존 리튬이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다.
하지만 리튬 이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우, 리튬 금속의 수지상 성장으로 인해 지속적으로 비가역적인 리튬의 손실이 발생하며 충·방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생한다. 또한, 반응성에 차이가 있는 구리와 리튬 사이에 미세전류가 흐르면서 리튬의 부식과 동시에 구리 표면에서 전해액이 분해되는 '갈바닉 부식(Galvanic corrosion)'이 발생한다.
김희탁 교수는 3차원 음극 집전체 표면의 일함수(고체의 표면에서 전자를 빼내는 데 필요한 에너지)를 높여 리튬의 수지상 성장을 억제하고 집전체 표면에서 리튬과 전해액의 부식을 억제할 수 있음을 규명하고 음극재 없는 리튬전지의 구동이 가능함을 검증했다. 공동연구팀은 탄소 집전체 표면에 인위적으로 탄소 결함 구조를 도입해 일함수를 높였고, 전자가 집전체 표면으로부터 탈출하기 어려워져 전해질이 전자를 받아 분해되는 환원반응이 크게 억제되는 현상을 확인했다. 동시에 일함수가 낮은 특성을 가지는 리튬 금속과는 강하게 상호작용을 하면서 집전체 위에 리튬 금속의 균일한 성장을 유도하고 안정적으로 에너지를 저장할 수 있음을 검증했다. 연구팀은 개발된 집전체를 통해 기존 구리 집전체 대비 월등하게 높은 성능을 보여줬고, 동시에 극미량의 전해액만이 전지 내에 주입되는 희박 전해액 환경에서도 구동할 수 있음을 확인했다.
SK온은 차세대배터리 연구부서에 무음극 리튬이온 배터리 개발팀을 만들고 관련 연구를 진행 중이다. 글로벌 1위 전기차 업체 테슬라도 무음극 배터리 연구를 진행하고 있고, 관련 특허도 출원했다. 현대차그룹은 2019년 관심 연구 개발 분야에 무음극 배터리를 포함했다.
전망
무음극 배터리는 이론적으로 배터리 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있는, 게임 체인저가 되기에 충분한 차세대 배터리이다. 하지만 아직 연구는 완전히 초기 단계이다. 음극재 없이 어떻게 배터리가 구동되게 하는지 그 원리를 밝히고, 설계를 만드는 단계의 실험이 아직 진행 중이다. 업계에서도 아직은 무음극 배터리는 이론에 불과하다는 평가를 하기도 한다.
참고자료
- 김영준 기자, 〈음극재 없는 배터리 구현에 한 발짝 더...KAIST, 음극 집전체 개발〉, 《전자신문》, 2021-10-07
- 이승주 기자, 〈KAIST, 고에너지 리튬 배터리 구동 위한 음극 집전체 개발〉, 《교수신문》, 2021-10-08
- 유은주 기자, 〈KAIST, 음극재 없는 리튬배터리 음극 집전체 개발〉, 《신소재경제》, 2021-10-20
- 적새매, 〈무음극배터리〉, 《티스토리》, 2021-10-21
- 송기영 기자, 〈삼성·현대차·SK가 탐내는 꿈의 기술 ‘무음극 배터리’, 1회 충전에 800㎞ 주행〉, 《조선비즈》, 2021-10-16
같이 보기
