"차세대 전지인 리튬공기전지의 가장 큰 문제점인 급격한 수명 저하를 해결했습니다. 상용화까지 시간이 걸리겠지만 기존 리튬이온전지보다 한번 충전으로 전기차가 갈 수 있는 거리가 크게 향상될 것입니다."
21일 최근 삼성전자 종합기술원과 공동으로 세라믹 소재 리튬공기전지 개발 연구를 발표한 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 서동화 교수는 이같이 밝혔다.

연구의 교신저자인 서 교수는 "이번 연구에서는 신규 고성능 세라믹 소재를 리튬공기전지 양극에 도입해 기존 난제를 풀 수 있다는 개념을 검증했다"며 "다만 상용화를 위해서는 음극과 전해질 부분에 존재하는 난제도 극복해야 한다"고 말했다.

울산과학기술원 서동화 교수.

그는 "전지 분야의 지속적인 발전을 위해서는 전문 인력 양성이 매우 중요하다"며 "이를 위해 정부 기관 주도하에 울산과기원 등 5개 대학이 배터리 전문 인력을 양성하고 있으며, 지속적인 지원이 필요하다"고 강조했다.

다음은 서 교수와의 일문일답.

-- 이번 연구의 의의는 무언인가.

▲ 리튬공기전지는 리튬이온전지에서 많은 무게와 소재 가격을 차지하는 리튬전이금속 양극을 공기로 대체함으로써 저렴하고, 이론 용량이 기존의 10배인 차세대 전지다.

이 전지의 상용화를 막고 있던 가장 큰 문제점은 유기물로 이뤄진 액체 전해질과 도전재가 전지 작동 중 발생하는 활성 산소로 인해 분해가 일어나 충전과 방전이 진행되면서 용량이 급격히 줄어드는 부반응 때문이다.

연구팀은 불안정한 유기 소재를 완벽히 세라믹 소재로 대체했기 때문에 전지 작동 중 안정성이 크게 향상됐고, 기존 10회 정도였던 리튬공기전지 수명이 100회 이상까지 향상되는 것을 실험적으로 밝혔다. 상용화가 이뤄진다면 기존 상용 리튬이온전지보다 한 번 충전으로 전기차가 갈 수 있는 거리가 크게 향상될 것이다.

-- 리튬공기전지 상용화를 위해 앞으로 해결해야 할 점은.

▲ 리튬공기전지는 기본적으로 양극, 음극, 전해질로 구성되는데, 이번 연구에서는 신규 고성능 세라믹 소재를 양극에 도입해 기존 난제의 실마리를 풀 수 있다는 개념이 검증된 수준이다.

음극과 전해질 부분에서도 아직 상당한 난제들이 존재한다. 예로 리튬 메탈 음극 사용 시 발생하는 수지상 형성으로 인한 합선, 음극의 직접적인 산화를 막기 위해 외부 공기로부터 완벽한 차단 등의 문제를 극복해야 한다.

또 양극과 음극 사이 배치되는 고체 전해질이 현재 전지 사용 중 분해되는 이슈가 있어 안정적인 전해질 개발도 필요하다.

-- 리튬공기전지의 실제 상용화 예상 시기는.

▲ 앞서 말한 난제들이 해결되지 않는 한 상용화에는 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상한다. 또 해결된 후에도 상용화를 위한 소재의 최적화, 추가 검증, 양산화, 전지 적용 평가, 차량 적용 평가 등을 고려했을 때 최소 10년은 걸릴 것으로 예상한다.

-- 상용 리튬이온전지의 문제점인 폭발과 발열 이유는 무엇인지.

▲ 리튬이온전지는 가연성 유기 용매를 전해질로 사용하기 때문에 발화점이 낮고 쉽게 불이 붙는 경향이 있다. 반면 이번 세라믹 소재를 도입한 리튬공기전지는 불이 붙지 않는다. 세라믹 소재는 1천도 이상 고온에서도 열적 안정성을 가지기 때문이다.

-- 전지 충전 속도가 느린 이유는.

▲ 전지 충전 속도는 전지 내부에서 전자·이온 이동에 대한 저항이 낮을수록, 산화·환원에 대한 저항이 낮을수록 빨라진다.

리튬이온전지는 액체 전해질 기반이라 이온 이동에 대한 저항이 낮으며, 탄소를 사용해 전자 이동이 원활하다.

리튬공기전지는 방전생성물을 생성시켰다 없애는 복잡한 과정을 거치면서 산화·환원 반응에 대한 저항이 크다. 현재 이 저항을 낮출 수 있는 촉매 개발이 많은 연구자에 의해 진행 중이다.

-- 우리나라 전지 분야 기술 수준과 발전 가능성은.

▲ 삼성SDI, LG화학, SK이노베이션 등 전지 3사를 필두로 우리나라가 세계 전기차 배터리 시장 점유율 1위를 차지하고 있다. 특히 우리나라는 전지 산업을 가지고 있는 몇 안 되는 국가다. 이러한 산업 기반으로 활발한 산학연 연구를 통해 세계 전지 기술을 선도할 수 있으리라 생각한다.

전지 분야의 지속적인 발전을 위해서는 전문 인력 양성이 매우 중요한데, 정부 기관 주도하에 한국전지산업협회와 울산과기원을 포함한 5개 대학교가 협력해 배터리 전문 인력을 교육·양성하는 '이차전지 산업 전문인력양성사업'을 진행하고 있다.

<연합>