[심층진단 금주의 핫이슈] 리튬폴리머전지 개발 열기 뜨겁다

「리튬이온 2차전지에 비해 얇고 안전하다.」

이런 특징으로 기대를 모으고 있는 리튬폴리머전지가 내년 초에는 양산,휴대전화기 등 휴대기기의 전원으로 일반에 선보이게 될 전망이다.

실용화의 선두에 나서는 곳은 미국의 벤처기업 밸런스 테크놀로지와 울트라라이프 배터리스 두 회사. 이들 업체는 내년 1, 4분기중 리튬폴리머 2차전지를 양산한다고 발표했다.

밸런스는 영국 북아일랜드공장에서 양산할 예정이다. 생산규모는 양산효과에 따른 비용절감을 기대할 수 있는 월 40만∼60만개를 예정하고 있다.

반면 울트라라이프는 미국 뉴욕州의 뉴어크공장에서 내년 초 양산에 착수할 계획이다. 양산규모는 하루 4천개로 밸런스에 훨씬 못미친다.

그러나 울트라라이프 제품은 내년 3월 휴대전화기의 전원으로 채택, 미국시장에 등장하게 된다.

리튬폴리머 2차전지의 특징은 2차전지 가운데 가장 얇게 할 수 있고, 리튬이온 2차전지에 비해 안전성이 높다는 점이다.

리튬폴리머전지는 전지셀의 두께를 3 이하로 얇게 할 수 있다. 필름형상의양극과 음극에 고체 또는 常溫겔(콜로이드용액이 굳은 것)모양 폴리머재료로된 전재질을 끼우기 때문이다.

또 하나의 특징은 안전성으로 리튬이온 2차전지에 비하면 훨씬 높다고 관계자들은 입을 모은다. 그 이유는 리튬폴리머 2차전지가 사용하는 전해질이고체 또는 상온겔 형태이기 때문이다.

예를 들어 전지셀에 못을 박거나 전지셀을 가위로 자르거나 해도 전해질이전지 외부로 새는 일이 없다. 이 때문에 발연, 발화 등이 일어날 가능성이낮다.

이 결과, 안전회로에는 과충전과 과방전을 방지하는 회로만 설치하면 된다. 이에 대해 리튬이온 2차전지는 전해질로 유기계열 전해질을 사용하기 때문에 절단 등의 충격을 가하면 전해액이 외부로 흘러나와 발연이나 발화가능성이 높아진다.

이런 리튬폴리머 2차전지이지만 해결해야 할 과제가 있다. 각형 리튬이온2차전지와 비교하면 중량에너지밀도는 동등하거나 그 이상이지만 체적에너지밀도는 낮다.

기존 각형 리튬이온 2차전지의 체적에너지밀도는 2백20∼2백50Wh/, 중량에너지밀도는 80∼1백10Wh/kg이다. 이에 대해 리튬폴리머 2차전지는 밸런스가시험제작한 셀의 경우 체적에너지밀도가 2백10∼2백20Wh/, 중량에너지밀도가1백40∼1백50Wh/kg이고 울트라라이프 제품의 경우는 체적에너지밀도가 1백50∼2백Wh/, 중량에너지밀도가 1백5Wh/kg이다.

이같은 결과가 나오는 이유는 전지의 전극에 리튬이온전지와 거의 같은 재료를 사용하고 있기 때문이다. 밸런스와 울트라라이프는 모두 양극에 LiMn₂O₄, 음극에 탄소재료를 사용하고 있다.

따라서 리튬폴리머 2차전지가 리튬이온 2차전지의 에너지밀도를 능가하기위해서는 전극재료를 바꿀 필요가 있으며, 이미 일부업체가 시도하고 있다.

예를 들면 음극에 리튬금속재료 또는 리튬합금재료를 사용하고 양극에 O₂나₂O₄보다도 전류용량이 높은 재료를 채용하는 방법이 있다.

리튬금속타입 리튬폴리머 2차전지의 개발은 이미 진행되고 있다. 예를 들면 미쓰이物産과 미쓰비시금속이 2백40만달러를 출자한 미국 리튬테크놀로지(LTC)는 음극에 리튬금속, 양극에 VO₁₃를 사용하는 리튬폴리머 2차전지를개발하고 있다.

일본에서는 도쿄농공대 공학부의 오야마 연구팀과 마쓰시타電器가 공동으로 음극에 리튬합금을, 양극에는 도전성 폴리머재료를 사용한 리튬폴리머 2차전지를 개발하고 있다. 양극재료는 유기유황(S)화합물이다. 이론상 전류용량은 3백62mAh/g으로 ₂O₄의 3배 이상이다. 현재 중량에너지밀도가 약 6백30Wh/kg인 셀을 개발하고 있다. 이밖에 리튬이온 2차전지의 최대업체인 소니도 음극에 리튬금속을 사용한 리튬폴리머 2차전지의 연구개발을 추진하고 있다.

그러나 새로운 전극재료를 사용하는 리튬폴리머 2차전지의 실용화는 금후적어도 2년은 더 걸릴 것으로 보인다. LTC는 98년중 상품화를 목표로 하고있지만 나머지 업체들은 제품화계획을 제시하지 않고 있다.

미국 몰텍社도 유기유황화합물을 사용한 리튬폴리머 2차전지를 개발하고있는 것으로 알려지고 있다.

울트라라이프측은 이 계약이 만료되기 전까지는 다른 휴대전화업체에 자사리튬폴리머전지를 판매하지 못한다. 이때문에 일본 국내에서는 전지수요처로휴대전화기 이외의 전자기기업체를 모색하고 있다.

현재 노트북PC업체와 전자수첩업체 2, 3개사와 접촉하고 있는 것으로 알려지고 있다.

참고로 리튬금속을 사용한 전지에서는 과거에 발화사고가 있었다. 그러나이것은 전해질에 유기계열 전해액을 사용한 경우이다. 리튬폴리머 2차전지는고체의 전해질을 사용하기 때문에 바늘모양의 결정이 발생해 양극과 음극이단락해 버리는 현상이 일어나지 않는다. 따라서 리튬금속을 사용해도 안전성을 확보할 수 있다.

<신기성 기자>