강영구 화학연 박사가 리튬공기전지 제조를 위한 실험을 수행하고 있다. [한국화학연구원 제공]

2019년 노벨화학상의 영예를 차지한 존 구디너프(John B. Goodenough), 스탠리 휘팅엄(Stanley Whittingham), 요시노 아키라(Yoshino Akira) 등 3명의 연구자는 리튬이차전지 발전에 큰 기여를 한 업적을 인정받았다.

리튬이차전지는 1991년 상용화된 이후 휴대전화부터 노트북 등 우리 일상생활에 사용되는 거의 모든 전자제품에 활용될 정도로 쓰임새가 커졌다. 최근에는 단순 디바이스들을 넘어 전기자동차, 에너지저장시스템 등에까지 활용영역이 확대되는 추세다.

일본후지경제연구소가 발표에 따르면 전기자동차용 리튬이차전지 시장은 오는 2020년 15조8000억원으로 연평균 20%, 에너지저장용 리튬이차전지는 2020년 29조7000억원 규모로 성장할 전망이다.

다만 넘어야 할 산도 있다. 안전성이다.

기존의 상용화 리튬이차전지는 유기용매에 리튬염을 용해시켜 만든 액체 전해질을 핵심소재로 사용한다. 그런데 액체 전해질은 외력에 의해 누출될 소지가 있는데다 과충전, 열 충격 등에 따른 발화 및 폭발 위험성이 높다 문제점이 있다.

전기자동차 시대 상용화를 위해서는 충전 주행거리를 대폭 증가시키고 10년 이상의 안전성을 확보할 수 있는 고용량의 차세대 이차전지 개발이 필요하다는 것이 전문가들의 의견이다.

이에 따라 최근 세계적으로 에너지 용량이 크고 발화 및 폭발 위험이 없는 안전성이 높은 차세대 전지를 개발하기 위한 연구개발이 활발하게 펼쳐지고 있다. 바로 ‘전고체 리튬이차전지’ 개발이다. ‘전고체 리튬이차전지’는 양극과 음극, 전해질이 모두 고체로 전해액 누출우려가 없어 안전성이 높다. 때문에 일본을 비롯한 선진국들은 관련 기술을 선점해 나가고 있다.

국내 대학 및 정부출연연구기관에서도 리튬이차전지의 발화와 폭발문제를 근본적으로 해결할 수 있는 ‘전고체 리튬이차전지’ 개발에 주력하고 있다.

한국생산기술연구원과 한국전기연구원, 울산과학기술원(UNIST) 연구진은 우수한 성능과 안전성을 갖춘 전고체전지를 개발하고 기술이전을 통한 상용화를 적극 모색하고 있다. 한국생산기술연구원 김호성 박사 연구팀은 기존보다 수명 특성이 5배 이상된 전고체전지를 개발, 국내기업에 기술이전을 실시하고 조기 상용화에 대한 기대감을 높이고 있다.

한국화학연구원 강영구 박사 연구팀은 기존 리튬이차전지의 한계를 극복해줄 것으로 기대되고 있는 ‘리튬공기전지’ 연구개발에 집중하고 있다. 리튬공기전지는 음극으로 금속, 양극으로 공기 중 산소를 이용하는 구조다. 에너지 밀도가 기존 리튬이차전지보다 약 10배 정도 높다는 것이 장점이다. 전기차 배터리로 채용하면 대폭적인 주행거리 증진이 가능하다.

강 박사 연구팀은 지난 2013년부터 리튬공기전지의 효용성을 인지하고 연구개발에 착수, 고용량 고안전성을 담보해줄 전극과 전해질 소재 설계와 특성평가를 진행중이다. 현재 리튬공기전지용 전극소재, 전해질 설계, 합성기술 등 소재 원천기술을 확보한 상태다. 빠르면 내년께 민간기업과 연계, 리튬공기전지용 핵심소재 개발과 시제품을 제작해나간다는 계획이다.

강 박사는 “리튬공기전지의 국산화에 성공할 경우 우리나라가 얻게 될 경제적 파급효과는 매우 클 것”이라며 “향후 전기자동차와 대형전력저장시스템, 지능형 로봇 등 산업전반에 걸쳐 활용도가 높아질 것”이라고 말했다. 구본혁 기자/nbgkoo@heraldcorp.com