“소재의 혁신이 있어야만 새로운 디바이스가 나올 수 있고 그 디바이스의 발전도 소재와 같이합니다. 배터리 시장은 현재 매년 20% 성장률을 보이며 점점 커지고 있습니다. 배터리 혁신을 위해 양극, 음극, 전해질, 분리막 등 핵심 소재 개발이 무엇보다 중요합니다.”
장혁 삼성SDI 연구소장 부사장은 지난 6일 경남 창원컨벤션센터에서 열린 한국전기화학회 춘계학술대회 기조강연에서 리튬이온 배터리 한계를 극복하기 위한 신소재 연구 중요성을 강조했다.
장 부사장은 “리튬메탈전지, 전고체전지, 플로우전지 등이 차세대 전지로 거론되지만 리튬이온 배터리 역시 아직 더 많은 연구 가능성이 있다”면서 “글로벌 자동차 제조사가 주행거리를 늘리기 위해 용량이 크면서도 수명은 기존과 동일하고 가격은 더 저렴한 배터리를 요구하는 만큼 세 마리 토끼를 다 잡기 위한 소재 개발이 도전 과제”라고 말했다.
리튬이온 배터리 에너지 밀도는 상용화 초기 200Wh/L에서 현재 700Wh/L대로 발전했다. 이를 800Wh/L 이상으로 높이는 연구가 진행되고 있다. 향후 에너지밀도를 더 높이기 위해서는 니켈 양을 늘리는 하이니켈 삼원계(NCA·NCM) 양극재가 필요하다. 하지만 니켈 양이 늘어나면 결정구조가 변화하거나 잔류리튬이 전해질과 반응하고 활물질에 균열이 생기면서 안정성과 수명이 저하되는 반작용이 있다.
장 부사장은 “니켈 양을 95%까지 올려 에너지 밀도를 높이면서도 충방전 중에 결정구조가 망가지지 않도록 하는 연구를 계속 해나가고 있다”면서 “결정구조 변화를 억제하고 잔류 리튬으로 인한 배터리 스웰링 현상을 방지하기 위해 도핑 소재와 전해질 연구가 활발히 진행되고 있다”고 소명했다.
음극재 개발 과제로는 인조흑연처럼 출력 특성이 좋으면서도 리튬이온의 입출력을 편하게 해주는 대체 천연흑연 개발을 과제로 꼽았다. 또 용량을 높이기 위해 흑연과 함께 사용되는 실리콘 소재가 팽창과 수축을 반복하며 수명이 저하되는 문제를 해결하기 위한 실리콘용 전해질과 첨가제가 중요한 연구 과제다.
장 부사장은 “적극적인 연구를 통해 250mAh/g 용량을 구현한 하이니켈 NCA·NCM 양극재와 실리콘 음극 소재, 고전압이 가능하게 하는 첨가제, 실리콘 맞춤형 전해질, 더 얇아진 분리막이 속속 시장에 등장하고 있다”고 말했다.
정현정 배터리/부품 전문기자 iam@etnews.com
