[대덕포럼] 우리의 삶을 바꾼, 바꿀 이차전지

김해진 한국기초과학지원연구원 분석과학연구본부장

인류의 역사는 선사시대 불의 이용으로부터 시작해 이제는 미래 에너지원인 핵융합 발전과 우주 태양광 활용에까지 과학 기술의 발전이 이뤄지고 있다. 특히 이들 중 이차전지의 상용화는 전자기기의 사용, 휴대성 및 편리성으로 인해 인류의 삶을 완전히 바꾸어 놓은 과학기술의 업적이 됐다.

전지란 물질들이 갖고 있는 화학에너지를 전기화학적인 산화환원 반응을 통해서 전기에너지로 변환하는 장치이다. 전지의 분류는 물질의 화학 반응을 이용한 화학전지와 빛, 열등을 이용한 물리전지로 분류하는데 우리의 실생활에서 가장 많이 쓰이는 전지는 화학전지이다. 화학전지 중 건전지와 같이 충전할 수 없고 1회만 사용 가능한 전지를 1차전지라 부르고 반복해서 충방전이 가능한 전지가 2차 전지이다.

인류의 문명사적인 측면에서 보면 전지는 꽤 오래전부터 사용돼 왔다. 1932년 오스트리아의 고고학자 쾨닉은 이라크 바그다드 지역에서 기원전 3세기부터 사용된 것으로 보이는 유물을 발굴했다. 바그다드 전지라고 불리는 이것은 중앙부에 쇠막대를 박아놓은 구리 통을 도자기로 된 항아리가 감싸는 구조를 가지고 있는데 현재의 전지 원리와 똑같다.

그러나 통상적으로 현대 전지의 시초는 1800년 이탈리아 과학자 볼타가 발명한 구리와 아연을 이용해 전기를 생산하는 볼타 전지로 알려져 있다. 이러한 전지의 발달은 1834년에 다벤포트의 1차전지를 이용한 전기자동차 발명으로 이어졌고 1913년에는 발명왕 토마스 에디슨은 철-니켈을 이용한 충전식 배터리와 이를 이용한 전기차를 발명했다. 현재 전 세계에서 단 3대밖에 없는 에디슨의 전기차와 배터리가 강원도 강릉의 참소리축음기 에디슨 과학박물관에 남아있다.

현재 가장 많이 사용되고 있는 리튬이차전지는 1976년 뉴욕주립대학교의 위팅엄 교수가 층상 구조를 가진 반금속성 이황화타이타늄을 활용해 리튬을 저장할 수 있는 가능성을 처음 제시했고, 최근 100세의 일기로 사망한 오스틴 텍사스 대학교의 구디너프 교수에 의해 1979년 리튬을 포함하고 있는 전이금속 산화물 고전압 양극 소재가 발견됐다. 또한 1985년에 아키라는 그동안 음극소재로 리튬금속을 사용해 상용화에 어려움을 겪고 있던 리튬 이차전지의 음극소재로 흑연이 리튬 금속과 매우 흡사한 전압에서 리튬 이온을 저장할 수 있음을 발견해 이차전지의 상용화에 커다란 공헌을 했다. 세 사람은 리튬 이차전지의 발전에 대한 공로로 2019년 노벨 화학상을 공동 수상하게 된다.

인류의 삶을 변화시킨 리튬 이차전지는 그 공적을 인정받아 2019년 노벨 화학상을 수상했지만, 몇 가지 결점이 있으며, 조만간 성능 혁신의 한계에 다다를 가능성이 높다는 예측이 지배적이다. 또한 스마트폰 등 소형 응용분야에서 전기자동차, 에너지 저장장치 등 중대형 응용분야로 확장에서 가장 큰 문제는 바로 안전성이다. 미래의 이차전지는 현재의 리튬이온전지에 비해 저렴하면서도 에너지 밀도와 안전성이 높고, 빠른 충전과 장수명이 가능한 고효율 전지를 원할 것이다.

따라서 이러한 요구 조건을 충족시킬 수 있는 차세대 전지 기술로는 전고체 전지가 가장 실현 가능성이 높은 기술로 인정받고 있다. 전고체 전지의 핵심 기술은 가연성의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하는 것으로 발화 및 폭발의 가능성이 거의 없는 것이 특징이다. 최근 한국기초과학지원연구원 연구팀에서 구기거나 자르는 등 극한의 변형과 공기 중 노출에도 안전한 고성능 자유변형 전고체전지 기술을 발표함으로써 전고체 전지 시대를 앞당길 가능성을 열어 놓았다. 그러나 아직까지 국내 업계는 전기자동차에 목표를 둔 연구 집중으로 인해 여전히 원천기술 확보가 뒤처져 있고 원재료 및 핵심소재 자급률도 낮은 상황이지만, 조기 상용화를 목표로 기술 추격에 집중하고 있다.