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전기차 리튬 이차전지, 다른 소재에 주목해야 할 이유

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전기차 배터리 팩 (출처: krict)

일명 ‘하얀 석유’로 불리는 리튬. 전기차 시대가 도래하면서 리튬이라는 단어를 접하는 일이 많아졌습니다. 언제부턴가 리튬 없이는 굴러가지 않는 세상이 됐죠.

전기차 수요가 증가하면서 전기차 배터리에 들어가는 리튬의 수요도 급상승했어요. 세계 최대 시장 조사 서비스업체인 리서치앤마켓에 따르면 세계 리튬 이온 배터리 시장 규모는 연평균 12%의 성장을 이루고 2030년 1138억 9000만 달러에 도달할 것으로 전망했어요. 2021년 세계 리튬이온 배터리 시장 규모는 464억 3000만 달러에 불과했는데 말이죠.

이렇게까지 리튬이온 배터리가 각광받는 이유는 명확해요. 높은 에너지밀도로 빠르게 전력을 공급하기 때문이죠. 하지만 그만큼 단점도 명확한 소재예요.

리튬이온 배터리 충전과 방전 (출처: 배터리인사이드)

가벼운 리튬이온, 에너지밀도가 높아!

리튬이온 배터리에 대해 확실히 알기 위해 배터리의 원리부터 살펴볼거예요. 배터리는 △이온을 방출하는 양극재 △이온을 이동하게 도와주는 전해액 △양극과 음극을 분리시켜주는 분리막 △에너지를 저장하는 음극재로 구성돼있어요. 전하를 가진 이온이 배터리의 양극재와 음극재를 이동하는 이동하면서 배터리 충전과 방전 상태가 결정돼요. 전하를 가진 리튬 이온이 양극재에서 음극재로 이동하면 에너지를 충전하는 상태에 놓이게 돼요. 반대로 음극재에서 양극재로 이동하면 에너지를 잃는 방전 상태를 의미하게 되죠.

여기서 이동하는 주된 이온 소재가 리튬이에요. 리튬은 지구에서 세번째로 가벼운 알칼리 금속 물질로 높은 에너지 밀도를 가졌어요. 에너지 밀도가 높을수록 같은 에너지를 가지더라도 부피나 무게를 줄일 수 있어요. 그만큼 가벼운 리튬이온 배터리는 많은 장치에 대용량으로 탑재되더라도 경량화할 수 있는 큰 장점을 가지죠. 게다가 리튬이온 배터리는 이온의 이동속도와 충전속도도 빨라 필요한 전력을 빠르게 공급할 수 있어요.

하지만 리튬이온 배터리는 치명적인 단점도 가지고 있어요.

리튬이온 배터리 송곳으로 충격을 가하자 불이 붙은 이미지 (출처: 한국화재보험협회)

단점① 리튬의 폭발성

혹시 전기차 화재 뉴스를 자주 접해보진 않으셨나요? 리튬이온 배터리 관련 사건사고는 계속 늘어나고 있어요. 국내 소방청 국가화재정보시스템 통계 자료에 의하면 리튬이온 배터리가 사용된 배터리 충전기, 전동 퀵보드, 전기자전거와 드론 화재 사례만 포함해도 2019년 131건, 2020년 182건, 2021년 223건으로 매년 증가하고 있다고 해요.

지난해 8월 화재보험협회 방제시험연구원은 리튬이온 배터리로 인해 발생하는 화재의 위험성을 알아보기 위한 실험을 진행했어요. 과충전, 과열, 외부충격 3가지 상황이 가정됐답니다. 결과는 참혹했어요. 2000mAh 용량의 리튬이온전지(3.7V) 1개에 2배의 전압(7.4V)으로 과충전하자 내부 압력 상승으로 바로 화재가 발생했어요. 필름히터로 2600mAh 용량의 리튬이온전지(3.7V) 표면에 약 160℃ 열을 가하는 과열 실험과 동일한 조건의 리튬이온 배터리 표면에 송곳으로 충격을 주는 외부 충격 실험에서도 화재가 발생했죠. 독일보험협회 산하 화재예방 연구소인 VDS의 보고서에 따르면 전기적 결함, 내부과열, 외부로부터 이차적 열 방출 등이 발생해 리튬이온 배터리가 폭발 반응을 보였다고 분석했어요.

리튬이온 배터리가 이토록 쉽게 불이 붙는 이유는 무엇일까요. 리튬은 가연성 알칼리 금속으로 반응성이 높아 쉽게 화학적 반응을 일으키게 돼요. 그렇게 화학적 반응으로 내부 온도가 순식간에 오르면서 쉽게 불이 붙게 되는거죠.

리튬이온 배터리 (출처: dreamstime)

단점② 불안정한 공급과 높은 가격

리튬이온 배터리의 또 다른 문제점은 불안정한 공급으로 인한 높은 가격 형성이에요. 애초에 리튬 소재가 다른 소재들보다 비싸기도 하지만, 구조적인 이유로 인해 리튬이온 배터리의 가격은 날이 갈수록 상승하고 있어요.

리튬이 흔하지 않아서 공급망이 불안한 것은 아니에요. 미국 지질조사국(USGS)에 따르면 2021년 기준 전 세계 리튬 매장량은 8900만 톤으로 주로 호주, 캐나다, 중국, 브라질 등 다양하게 분포하고 있죠. 단 가파르게 급증하는 수요를 공급이 따라잡지 못하는 현상이 나타나고 있어요. 리튬 가격은 지난 2년간 10배 이상 급등했으며 미국 BCG의 S&P 글로벌 마켓 인텔리전스는 2025년에는 예상 수요량을 충족할 수 없을 것이라는 분석했어요.

게다가 전기차 원가의 30%가량을 차지할 정도로 큰 지분을 차지하는 리튬이온 배터리는 전기차 가격 상승까지 영향을 미치기도 해요. 테슬라, GM, 포드 등 다양한 전기차 제조업체들은 리튬이온 배터리의 안정적인 안전망을 확보하기 위해 동분서주해요.

리튬이 채굴되는 칠레의 아타카마 소금 사막 (출처: sbs)

단점③ 친환경적이지 않아

리튬이온 배터리는 채굴부터 폐배터리가 되는 전 과정이 친환경적이지 않아요. 리튬이온 배터리를 채굴하기 위해서는 1톤당 약 227만 리터에 달하는 엄청난 물의 양이 필요해 채굴하는 인근 환경에도 큰 영향을 미친다고 해요. 실제로 BBC 매체에 따르면 칠레의 아타카마 소금 호수에서 리튬을 채굴한 영향으로 초목 감소와 가뭄 증가에 영향을 미쳤다고 해요.

리튬이온 배터리가 폐배터리가 되면 괜찮아질까요? 안타깝게도 폐배터리가 되더라도 처리가 쉽지만은 않아요. 일반적으로 리튬이온 배터리는 8~10년 정도 지나면 충전 수명이 줄면서 폐배터리로 분리돼요. 만약 재활용 과정을 거치지 않고 리튬이온 배터리를 그대로 매립하게 되면 폐배터리에서 나온 전해액이나 전극에 사용된 중금속이 토양과 지하수를 오염시킬 수 있어요.

재활용을 거친다고 해도 그 과정이 쉽지만도 않죠. 리튬이온 배터리는 배터리 양극재에 사용되는 니켈과 코발트 등의 물질을 얻기 위해 분쇄 과정을 거쳐요. 하지만 리튬 배터리의 폭발성으로 인해 상당히 복잡한 과정을 거쳐야하기 때문에 처리 비용도 비싸죠. 뾰족한 수가 없어 세계의 단 5% 리튬이온 배터리만이 재활용되고 있다고 해요.

나트륨이온 배터리 (출처: CATL)

리튬프리 소재는

이렇게 리튬의 한계는 명확해요. 많은 제조사들은 리튬의 한계를 극복할 대체 소재를 찾아 개발하고 있어요.

가장 먼저 리튬이온 배터리보다 훨씬 저렴한 나트륨이온 배터리가 새로운 대체재로 큰 주목을 받고 있어요. 나트륨이온 배터리는 전기차 배터리 수요로 더욱 폭등한 리튬이온 배터리의 가격 30분의 1 수준으로 저렴하다고 해요. 나트륨이온 배터리가 상용화되면 리튬이온 배터리보다 40%가량 저렴할 것으로 예측돼요. 게다가 나트륨은 리튬보다 500배 이상 많은 매장량을 가지고 있어요. 나트륨이온 배터리의 충전 속도는 리튬이온 배터리보다 훨씬 빠르다고 알려졌는데 15분만에 배터리를 80%까지 충전한다고 해요. 저온에도 에너지가 유지되는 성능도 리튬이온 배터리보다 우월해요.

실리콘(Si)과 그래핀(Graphene)을 복합화한 소재도 대체재로 각광받고 있어요. 둘을 결합해 사용하는 이유는 그래핀의 단점을 보완할 수 있는 소재이기 때문이에요. 실리콘만 배터리로 사용하게 되면 충전과 방전 시 300% 수준으로 부피가 팽창되면서 내부 균열로 인한 화재나 폭발이 일어날 위험성이 높아요.

흑연의 한 겹인 그래핀 (출처: GrapheneSquare)

이러한 단점을 그래핀이 해결해줘요. 그래핀, 낯선 이름일 수 있지만 그래핀은 생각보다 친숙한 소재예요. 그래핀은 연필을 이루는 흑연의 여러 겹 중 한 겹을 벗겨낸 2차원 탄소나노소재예요. 그래핀의 안정적인 성질로 실리콘의 부피 팽창을 안정시켜주죠. 특히 그래핀은 구리보다 100배 많은 전류를 전달할 수 있을만큼 우수한 전기 전도도를 가져요. 그만큼 빠르게 이온을 이동시키기 때문에 단독으로 사용하더라도 그래핀의 배터리 충전 속도는 5배 이상 빠르게 올릴 수 있는데다가 충전 용량도 45%나 향상시킬 수 있다고 해요.

그렇다면 왜 상용화를 이루지 못하고 있는걸까요? 실리콘과 그래핀을 결합한 배터리는 기술적인 한계에 부딪히게 돼요. 나노미터 수준의 아주 얇은 흑연층인 그래핀을 만드는 것이 어렵고 또 다른 물질인 실리콘과 이를 결합해야 하기 때문이죠. 그렇게 어려운 과정을 거쳐 만들어지더라도 결국 가격 경쟁력을 갖추기 위한 적당한 가격 형성에 어려움을 겪는 것으로 알려졌어요.

(출처: giphy)

결론

우리 생활 곳곳에 녹아있는 리튬이온 배터리는 특히 전기차 사용의 증가와 함께 그 수요가 늘었어요. 기업들도 앞다퉈 리튬 이차전지를 확보하기 위해 경쟁하고 있죠. 하지만 수요만큼이나 리튬이온 배터리로 인한 사건사고는 끊이지 않고 있는데다가 환경까지 위협하는 상황이에요. 리튬 이차전지, 한 번쯤 다른 소재를 고민해보는 건 어떨까요?

테크플러스 에디터 최현정

tech-plus@naver.com​

CP-2023-0021@fastviewkorea.com

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