[KOSEN PICK] 미래 성장 원동력 ‘이차전지’…K-배터리 힘 키워야
에너지저장매체 등 전기차 폐배터리 재활용 기술개발 동향 및 상용화 추진 현황
강태구 (한국환경공단)
정부가 발표한 ‘2030년 국가 로드맵’에 따르면 2030년까지 국내 전기차 보급 대수를 300만 대까지 확대할 방침이다. 이는 전기차 대수의 증가만을 의미하는 것이 아닌 향후 전기차에서 발생하는 폐배터리의 발생 규모도 증가함을 보여주고 있다. 그러나 현재 국내의 폐배터리에 대한 재이용 및 재활용에 대한 시스템 체계는 미흡한 상태다.
이에 이번 보고서에서는 전기차 폐배터리 재활용 기술개발 동향과 상용화 추진 현황에 대해 살피고 있다. 보고서에 따르면 폐배터리의 재사용 공정 과정을 통해 재창출된 배터리나 자원은 대부분 기존 ESS나 배터리 원자재 시장에 재투입되는 구조로, 전방 시장의 특성 및 시장 주도 기업과의 협업이 필요하다.
따라서 기술적인 고도화를 갖추기 위해 신품 배터리 제조와 관련된 첨단기술 영역의 기술 축적이 필요하며, 폐배터리 재사용 시장의 진입에 관심이 있는 중소기업은 정부 출연연구소, 대학, 수요 기업 등과의 산학연 체계에 의한 공동 R&D를 추진하는 것이 성공적인 초기 시장진입에 필요한 전략이라 밝혔다.
또 전기자동차 폐배터리를 이용한 에너지 저장장치 구성 관련 기술 분야는 리튬이온배터리의 재사용을 통해 폐배터리의 활용 가치를 극대화하는 자원순환의 시작점이 되는 기술인 만큼 단계별 효율적인 폐기물처리 유통체계 확립을 위한 노력도 필요하다.
더욱이 전기차 배터리 시장에서 중국 진출이 위협되는 만큼 국제 기술개발과 시장 선점에 대한 노력이 필요하다고 강조했다.
○ 보고서 원문 바로가기 : https://kosen.kr/info/kosen/REPORT_0000000002220
고밀도 리튬이온전지용 고체전해질 연구개발 현황
장갑수 (사스캐처원대학교)
이 보고서는 고성능 전고체 리튬전지 개발을 위한 다양한 고체전해질의 재료 특성이 요구된다고 밝히고 있다. 보고서에서는 밀도범함수이론과 분자동역학 모사 기법이 고체전해질의 물리적, 전기화학적, 기계적 특성을 분석, 예측하는 데 적용된 사례를 소개한다.
또 이론계산기법들이 전고체전지 연구개발에 활용될 수 있는 잠재력이 높다는 것을 확인했지만 다양한 고체전해질 후보 재료에 적용하기 위해서는 추가적인 연구 또한 필요하다고 설명했다.
현재 제일원리를 기반으로 한 분석 기법은 대부분 양극 활성물질과 고체전해질을 포함한 결정성 재료에 적용되고 있는 반면, 고분자물질과 같은 비정형 소재는 소외되고 있다고 지적했다. 최근에는 인공지능 기반의 기계학습 알고리즘을 통해 대량 분석이 시도되고 있으며 이를 통해 3000여 개의 리튬 화합물 후보 재료에 대해 비지도 기계학습을 적용해 이온전도도가 높은 16개의 후보 재료를 선발하기도 했다.
연구자는 “앞으로 고체물리 분야의 소재특성 이론 분야와 기계학습이 결합한 대규모 소재 분석 연구 분야는 더욱 정교해지면서 이차전지 외에도 다양한 산업 재료의 연구개발로 확대될 것으로 전망된다”고 강조했다.
○ 보고서 원문 바로가기 : https://kosen.kr/info/kosen/REPORT_0000000002178
차세대 리튬전지용 리튬 염(Li Salt) 연구 동향
박상우 (서울대학교)
이 보고서는 리튬전지에서 리튬 염이 담당하는 역할과 기본적인 요구 특성을 바탕으로 차세대 리튬전지에서 어떠한 리튬 염들이 활용 및 연구되고 있는지를 알아본다.
리튬이온전지의 4대 소재 중 리튬 이온의 이동을 매개하는 액체 전해질은 약 1M 농도의 리튬염이 유기용매에 용해되어있는 액체다.
전해질에는 리튬 염과 용매 외에도 전지의 성능을 보완할 수 있는 다양한 첨가제들이 소량씩 포함되지만, 기본적으로 리튬 염과 용매가 전해질 무게의 대부분을 차지하게 되며, 염·용매 조합에 따라 전해질의 특성이 어느 정도 결정된다고 볼 수 있다.
보고서는 리튬금속전지, 리튬-산소 전지 및 리튬-황 전지로 대표되는 차세대 리튬전지의 경우 전기화학적 거동 자체의 복잡성 및 여러 기술적 한계점으로 인해 상용화까지 상당한 시간이 걸릴 것으로 내다봤다.
이와 함께 리튬-염 연구는 차세대 전지 시스템을 구현하는 데 있어 파급력 있는 연구 분야가 될 수 있음을 강조했다.
○ 보고서 원문 바로가기 : https://kosen.kr/info/kosen/REPORT_0000000002151
차세대 고에너지밀도 리튬이차전지 기술 연구
연순화 (한국에너지기술연구원)
전기 자동차에 대한 관심이 커지면서 차세대 이차전지 연구도 본격화되고 있다. 현재 리튬이온전지보다 이론적인 에너지밀도에 있어서 높은 값을 갖는 리튬-공기 전지, 리튬-황 전지, 리튬금속전지, 전고체전지 등에 대한 연구가 이어지고 있다.
리튬-공기 전지는 공기 중의 산소를 이용하는 전지로, 에너지밀도가 높은 장점을 갖는다. 하지만 대기 중에 존재하는 산소를 이용하는 만큼 산소 외 수분 및 불순물이 존재하는 대기 중에서의 작동 실현 가능성 등 기술적 문제를 해결해야 한다.
또 리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지에 비해 4~5배 가량 중량 에너지값이 높고 비용 측면에서도 저렴한 장점이 있어 리튬이온전지를 가장 빠르게 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있지만, 리튬 음성 음극의 보호막 안정화를 해결해야 하는 과제가 있다.
보고서는 이러한 전지의 상용화를 위해서는 차세대 이차전지의 원천기술 조기 선점이 중요함을 강조한다. 원자 수준 고도의 분석기술부터 대면적 전극, 셀·모듈 제조 기술개발까지 전주기적으로 기술개발이 필요하며, 표준화·인증·제도 개선도 차세대 이차전지의 실용화 및 산업화에 중요한 이슈로 고려되어야 한다고 밝혔다.
○ 보고서 원문 바로가기 : https://kosen.kr/info/kosen/REPORT_0000000001989