리튬전지는 탄소소재를 음극으로, 리튬코발트산화물(LCO) 등 전이금속산화물질을 양극으로 사용해 만든 2차전지다. 용량, 출력, 수명 특성 등 전지 성능과 제조 단가는 4대 핵심소재라 부르는 양극소재, 음극소재, 분리막, 전해액에 의해 좌우된다.
리튬2차전지는 에너지밀도 등 전지로서의 특성이 우수해 1991년 상용화 이후 기존 니켈카드뮴(Ni/Cd)전지 및 니켈수소(Ni/MH)전지를 급속히 대체하면서 해마다 사용도 증가하고 있다. 휴대폰 등 소형 IT기기에서 최근에는 로봇, 전동자전거, UPS, 전기차, 전력저장 등 다양한 분야로 확대되고 용량 또한 중대형화 추세다.
21일 재료연구소에서 열린 `재료연구소 소재융합 정기세미나`에서 김현수 한국전기연구원 전지연구센터 책임연구원은 “국내 2차전지산업이 글로벌 경쟁력을 확보하려면 제조비용의 약 50%를 차지하고 있는 재료비 절감이 필수”라며 “특히 재료비 중에서도 가장 높은 비중을 차지하는 양극소재의 국산화가 절실하다”고 지적했다.
실제로 현재 국내 리튬2차전지 양극소재는 LCO를 제외하고는 대부분 일본에서 수입한다.
이 양극소재는 고안전, 대용량, 고출력, 장수명, 저가, 높은 방전전압 등이 경쟁력을 좌우한다. 전지의 고에너지화를 위한 방전전압 및 비용량도 높을수록 유리하다. 제한된 크기의 전지 용기에 활물질을 가능한 많이 충전할 수 있는, 체적당 또는 중량당 에너지밀도도 중요하다.
LCO는 합성이 용이하고, 수명과 고율 특성이 뛰어나다. 체적당 밀도도 높아 대표적인 양극소재로 꼽힌다. 반면에 충전 과정에서 구조적 불안정성으로 인해 방전 용량이 낮을 수밖에 없는 문제가 있다. 구성 물질인 코발트 화합물의 매장량 한계에 따른 가격 상승, 환경 문제 등으로 새로운 대체 물질 개발도 요구받고 있는 상황이다.
최근 사용량이 급증하고 있는 리튬니켈코발트망간산화물(NCM)은 LCO에 비해 가격이 저렴하고 전지특성과 열 특성이 우수하다. 에너지밀도가 떨어져 대용량급 전지에 적용하기 어려운 문제가 있지만 충전 전압을 높이는 방식으로 방전용량을 향상시킬 수 있고, 열적 안정성도 높다.
최근에는 NCM의 코발트(Co) 함량을 낮추거나 아예 사용하지 않은 구조 연구가 활발하게 추진되고 있다.
리튬망간산화물(LMO)은 저가에 환경 친화적이고 안전성도 높아 새롭게 주목받는 양극 소재 중 하나다. 용량이 적고, 고온 열화 등이 단점이지만 최근 연구를 통해 상당부분 개선됐다. 무엇보다 고출력에 안전성이 개선되면서 전동공구와 전기차용 전지에 확대 적용되고 있는 상황이다. 단점의 하나인 낮은 용량을 개선하고자 방전전압을 높일 수 있는 고전압 양극소재 개발을 진행 중이다.
이외에 리튬인산철산화물(LFP)는 저가에 구조적 안정성이 높고 수명도 길어 사용이 꾸준히 증가하는 소재다. 반면에 전기전도성이 낮아 고율특성이 좋지 않고 밀도도 낮다. 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni) 등으로 치환한 고전압 양극소재 개발이 시도되고 있다.
김현수 책임연구원은 “일본이 상용화해 전 세계로 확산된 2차전지는 생산 보급량만 보면 우리나라가 세계 1위지만 전기차와 에너지저장용 대용량 2차전지 분야는 여전히 부족한 점이 많다”며 “전지 소재의 특성 상 연구개발과 완성까지 장기간의 투자와 연구지원 프로젝트가 필요하다”고 말했다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
