차세대 2차 전지가 될 유력 후보 5가지 소개

차세대 2차 전지 기술의 등장은 에너지 시장의 판도를 완전히 뒤바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 어떤 기술이 미래를 주도할까?

 

 

 

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차세대 2차 전지의 필요성 대두

 

리튬이온 전지 시대의 종말

2차전지 시장은 리튬이온 전지의 영향력이 흔들리고, 새로운 기술들이 각축을 벌이며 2차 전지의 미래를 향해 나아가고 있다. 현재 2차전지 시장을 지배하는 리튬이온 전지는 이미 이론적인 한계에 도달했다. 전기차의 주행거리 향상, 스마트폰 배터리 수명 연장 등, 더욱 높은 성능을 요구하는 시장의 목소리는 점점 커지고 있다.

 

경쟁 심화, 다양한 차세대 2차 전지 기술 등장

이러한 상황 속에서 전고체 전지, 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지 등 리튬이온 전지를 뛰어넘는 차세대 2차 전지 기술들이 각광받고 있다. 각 기술은 각자의 장점과 단점을 가지고 있으며, 치열한 경쟁을 벌이며 시장 선점을 위해 노력하고 있다. 차세대 2차 전지 기술의 상용화 시기는 아직 불확실하지만, 기술 발전 속도와 시장 상황에 따라 빠르게 변화할 수 있다. 각 기술의 장점과 단점을 극복하고, 경제성을 확보하는 것이 성공의 핵심이 될 것이다.

 

2차 전지 산업 동향(출처: 헬로T 기사; [차세대 전지] 주요 부품 소재 국산화로 산업 경쟁력 키운다.)

 

차세대 2차 전지의 개발 방향

 

차세대 2차 전지를 위해서는 기존의 리튬이온 전지에 비해 대용량, 더 빠른 충전과 방전, 더 안전하고 더 긴 수명이 요구되고 있다. 이해하기 쉽도록 전기 자동차를 이용하여 예를 들어 보겠다. 더 큰 용량으로 한 번에 충전해서 갈 수 있는 거리가 늘어나고(대용량), 충전시간도 획기적으로 짧아져야 한다(더 빠른 충전). 기존의 전기 자동차에 비해 가속 성능이 더 뛰어나며(더 빠른 방전), 현재 걱정되고 있는 배터리 화재나 폭발 사고에 대한 위험 요소가 줄어들어야 한다(안전성). 마지막으로 현재의 배터리보다 더 긴 수명이 요구되고 있다(긴 수명). 

 

2차 전지 기술 개발 방향(출처 : 삼성SDI)

 

 

 

 

차세대 2차 전지 후보 

 

1) 전고체 전지

전고체 전지는 기존의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 2차 전지 기술이다. 고체 전해질을 무기 물질로 사용하여 가연성의 유기용매를 사용하는 리튬이온에 비해 안전성이 높다. 주요 전해질 재료는 산화물계, 황화물계, 질화물계이며 각각의 장단점이 있다.

 

리튬이온배터리와 전고체 배터리 비교

2) 리튬-황 전지

리튬-황 전지는 리튬 이온 전지 대신 황을 양극 물질로 사용하는 차세대 2차 전지 기술이다. 리튬 금속을 활용한 2차 전지는 리튬 이온 전지에 비해 용량을 크게 만들 수 있지만, 덴드라이트가 발생하는 문제로 인해 제품화되지 못하였었다. 덴드라이트는 리튬 이온 전지를 사용할 때 발생하는 나뭇가지 모양의 결정을 의미한다. 전지의 양극에 뿌리를 두고 자라나며, 크게 되면 단락을 일으켜 전력을 잃게 만든다. 

 

리튬-황 전지 (출처: 위키백과)

 

3) 금속-공기 전지

금속-공기 전지는 리튬 이온 전지 대신 금속을 음극에 공기를 양극에 사용하는 차세대 2차 전지 기술이다. 금속-공기 2차 전지는 외부에서 산소를 연료로 하여 발전하므로 연료전지의 일종으로 볼 수 있다. 다양한 금속을 음극에 사용할 수 있지만, 리튬을 사용할 때 최고의 에너지 밀도를 나타낸다. 

 

표. 금속-공기 2차 전지에 사용 가능한 음극 금속

음극 금속	전기용량 (Ah/g)	전압 (V)	에너지 밀도 (Wh/g)
리튬, Li	3.86	3.4	13.2
알루미늄, Al	2.98	2.1	6.1
마그네슘, Mg	2.20	2.8	6.1
칼슘, Ca	1.34	3.3	4.4
나트륨, Na	1.17	3.1	3.6
아연, Zn	0.82	1.2	1.0

 

리튬-공기 전지 모식도(출처: https://www.mk.co.kr/news/business/view/2012/07/420326/)

4) 나트륨 이온 전지

나트륨 이온 전지는 비싼 희소 금속인 리튬 대신에 흔한 나트륨을 사용하는 2차 전지를 의미한다. 현재 전고체 전지와 함께 가장 실용화에 근접한 기술이다. 리튬이온 전지에 비해 에너지 밀도는 떨어지지만, 수명 성능은 더 우수하다는 특징이 있다. 

나트륨이온 배터리 원리 (출처: 해시넷)

5) 다가이온 전지

다가이온 전지는 리튬 이온 전지 대신 다가이온(칼륨, 마그네슘 등)을 사용하는 차세대 2차전지 기술이다. 대부분은 이온전지는 모두 1가 이온(Li+, Na+, K+)이 전하를 운반한다. 즉 이온 1개가 +1만큼의 전하를 옮긴다. 반면에 다가이온은 마그네슘이온(Mg2+), 알리미늄이온(Al3+), 칼슘이온(Ca2+) 등의 다가이온을 이용하여 리튬이온 전지보다 용량이 2~3배 큰 2차 전지가 될 가능성을 가지고 있다. 

 

망간수계 이차전지(출처: 전력연구원 블로그, 망간수계 이차전지 기술개발)

 

 

차세대 2차 전지 기술의 특징 비교

차세대 2차 전지는 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 

 

표. 차세대 2차 전지의 특징 비교

기술	장점	단점	상용화 현황	주요 기업
전고체 전지	높은 안정성, 에너지 밀도, 수명	높은 제조 비용, 낮은 전도율	초기개발	삼성SDI, LG에너지솔루션,도요타, QuantumScape
리튬-황 전지	매우 높은 에너지 밀도, 저렴한 제조 비용, 친환경성	낮은 전도율, 짧은 수명, 안정성 문제	초기개발	LG에너지솔루션, SES AI, Sion Power
금속-공기 전지	극도록 높은 에너지 밀도, 저렴한 제조 비용, 친환경성	낮은 전력 밀도, 짧은 수명, 안정성 문제	초기개발	도요타, 포스코, LG에너지솔루션
나트륨 이온 전지	저렴한 제조 비용, 높은 안정성, 뛰어난 내구성	낮은 에너지 밀도, 전력 밀도, 무거운 무게	일부 상용화	CATL, LG에너지솔루션, 제너럴 모터스
다가이온 전지	높은 안정성, 에너지 밀도, 친환경성	낮은 전도율, 짧은 수명, 기술적 난관	초기 개발	Solid Power, Ionic Materials, 도요타

  

 

차세대 2차 전지의 예상 성능 

 

차세대 2차 전지의 예상 성능을 확인해 보자. 참고로 리튬 이온 전지의 전압은 3.2~3.7 [V], 에너지 밀도은 90~260 [Wh/kg], 사이클 수명은 약 300~2000 [회]이다. 

 

표. 차세대 2차 전지의 예상 되는 성능 비교

차세대 2차 전지	전압 [V]	에너지밀도 [Wh/kg]	사이클 수명 [회]
전고체 전지	-	300 ~ 900	800 ~ 2000
리튬-황 전지	1.9 ~ 2.1	300 ~ 700	100 ~ 400
리튬-공기 전지	3.0	500 ~ 1000	20 ~ 50
나트륨 이온 전지	3.0	100 ~ 180	800 ~ 3500
칼륨 이온 전지	4.0	200 ~	400 ~

 

 

 

 

 

차세대 2차전지의 예상 성능(출처:NEDO의 2차전지 기술 개발 로드맵)

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지금까지 차세대 2차 전지의 후보에 대해 확인해 보았다. 현재 사용되고 있는 전지의 역사와 전반적인 전지의 종류 및 특성에 대해 알고 싶은 사람은 아래의 글을 참조하기 바란다. 

 

 [Learn/과학공학기술] - 전지(배터리) 기술의 역사와 발전 방향

 

[Learn/과학공학기술] - 전지의 분류 : 종류 및 특성 비교