(서울=포커스데일리) 포스코는 지난 5월 보도를 통해 전남 광양시에 연산 6000톤 규모의 리튬(Lithium)이차전지 양극제 공장을 건설한다고 발표하였다. 포스코가 리튬 생산을 위해 만든 전남 광양 포스엘엑스(PosLX) 공장에서 국내 최초로 고성능 전기차 바테리에 주로 사용되는 이차전지의 필수소재인 수산화리튬 생산라인을 준공하고 생산한다는 것이다.

2022년까지 5만톤 생산체제로 확장하면 전기차 약 6만대분의 전지를 만들 수 있는 규모라고 강조하였다. 포스코는 앞으로 인증절차를 거친 뒤 엘지(LG)화학이나 삼성에스디아이(SDI) 등 국내외 배터리 제조사에 수산화리튬을 판매할 계획이라고 밝혔다. 수산화리튬은 현재까지 전량 수입에 의존하고 있다.

이차전지(Rechargeable Battery, Secondary cell)는 말 그대로 한번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 사용후에도 다시 충전 과정을 거쳐 수백회 이상 재사용이 가능한 전지를 말하며, 그 종류로는 납(Pb)축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지, 니켈-금속수소(Ni-MH)전지, 그리고 리튬(Lithium)이차전지 등이 있다. 한편 지금까지 사용하고 있는 일차전지로는 수은(Hg)전지(공해문제로 생산중단), 망간(Mn)전지, 알카라인(Alkaline)전지 등이 있다.

납축전지, 니켈-카드뮴전지, 니켈-금속수소전지는 용량이 다소 큰 분야인 무정전 전원장치(Uninterrupted Power Supply, UPS), 하이브리드전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 등에 이용되고 있다.
리튬이차전지는 현재 상용화되어 있는 이차전지 가운데 가장 성능이 우수한 전지이며, 그 우수성 때문에 핸드폰, 노트북 PC, 전동공구 등 부피가 작고 무게가 가벼운 제품, 즉 휴대용 제품에 주로 사용되고 있다. 그러나 CO2배출에 대한 규제와 화석연료 고갈에 따른 우려가 높아짐에 따라서, 전기차에 대한 관심이 고조되어, 전기자동차용 에너지 원으로서 리튬이차전지가 주로 사용되고 있다.

친환경자동차는 화석연료대신 전기에너지 사용량을 늘리는 쪽으로 개발 중이며 1997년 Toyota에 의해 하이브리드전기차 시장이 처음 열린 이후 전기차(Electric Vehicle, EV)로 이동하기 위해서는 주행거리, 충전 시간 등 기술적인 과제들의 해결을 위해서 이차전지의 성능 개선이 필수적이다.
여기에서는 이차전지의 구조 및 기본원리, 이차전지의 종류를 살펴보고, 리튬이차전지의 특성에 대하여 알아 보기로 한다. 먼저 이차전지의 구성과 그것들의 역할에 대해 알아 본다.

이차전지의 일반적인 구조를 갖는 전지셀은 집전체라는 극판상에 양극활물질 또는 음극활물질이 도포된 양극과 음극 사이에 분리막이 삽입된 것을 말하며 이차전지는 전지셀에 전해액을 주입하여 사용되고 있다.
그리고 리튬이온 배터리를 구성하는 4대 소재는 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성되어 있다. 리튬산화물로 양(+)극을 만들고 탄소화합물로 음(-)극을 만든다. 그리고 양극과 음극에서 리튬 이온이 이동할 수 있는 매개체 역할을 할 수 있도록 전해액을 넣으며 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하는 것을 방지해주는 역할을 하게 된다.

양극은 얇은 알루미늄기재가 있고 활물질, 도전제, 바인더로 구성되어 있다. 활물질, 도전제, 바인더를 합쳐서 합제라고 하는데 이들은 작은 입자의 파우더 가루들이 섞여 있다. 이 중에 가장 많은 비율을 차지하는 리튬산화물로 구성된 활물질이 있고 여기에 소량의 도전제를 넣어 리튬산화물의 전도성을 높여주고 있다. 바인더는 이들이 잘 붙을 수 있게 ‘풀’과 같은 역할을 하며 이렇게 섞인 합제를 얇은 알루미늄기재 양쪽에 바르면 양극이 만들어 진다.

 양극활물질은 전지의 전극반응에 관여하는 물질로서 리튬이온 전지에서 용량과 전압을 결정하는 역할을 한다. 양극활물질에 있는 리튬은 전해질에 녹아 들어가서 리튬이온으로 변신, 여기서 나온 전자들은 도선을 통해 음극으로 이동한다. 이 움직임이 배터리의 충전 원리이다. 얼마나 많은 리튬이 리튬이온으로 변신할 수 있는지는 활물질의 종류마다 차이가 있어서 어떤 리튬산화물을 사용하느냐에 따라 전지의 용량이 달라지고 리튬산화물의 종류에 따라서 전압도 결정된다.
음극도 양극처럼 활물질 형태로 이루어져 있고 음극 활물질은 양극으로부터 나온 리튬이온을 흡수, 방출하면서 외부회로를 통해 전자를 흐르게 하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.

음극 활물질로 사용되기 위해서는 안정성, 낮은 전자 화학적 반응성, 가격 등 많은 조건들이 있지만 제일 중요한 조건은 바로 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 능력이다.
 전해액은 전지내부의 양극과 음극 극판 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 한다. 전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성된다. 전해액은 이온들만 이동시키고, 전자는 통과하지 못하게 한다. 따라서 전해액은 리튬이온이 쉽게 이동할 수 있도록 점도가 낮아야 하고, 전지 구성성분과는 반응을 하면 안되며, 전해액의 사용 온도 범위가 넓어야 한다.

그리고 분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리하여, 전자가 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 이온이 이동할 수 있게 만들어, 전하의 흐름이 가능하게 해준다.
분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 잘 막아줘야 하고, 이온 전도시 저항을 최소화 하기 위해 전해액과의 친화력도 높아야 한다. 이온의 흐름을 원활히 하기 위해 다공성도 높고 얇을수록 좋다. 그리고 안정성을 위해 일정 수준의 기계적 강도와 화학적 안정성, 전기 화학적 안정성도 유지해야 한다.

이차전지의 기본 원리는 전기 화학적 산화-환원 반응에 의해 발생하는 이온의 이동으로 전기를 발생시키고 그 반대 과정으로 충전된다. 이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 달라 이때 발생되는 물질의 고유에너지 차이로 인하여 생기는 전압차를 이용한다. 리튬이온전지의 경우 양극에 있던 리튬이온이 빠져 나와 전해질을 통해 음극으로 가는 충전과 그 반대인 방전이 일어나게 된다.

 2차전지는 300~500회가량 충전이 가능하며 매일 1번 충·방전할 경우 1년∼1.5년의 배터리수명을 갖게 된다. 배터리는 어느 순간에 사용하지 못하는 것이 아니고 점차적으로 사용시간이 줄어들게 된다.

이차전지의 종류별 특성을 알아보면,
1. 납축전지(Lead-Acid Accumulator)는 1859년에 발명되어 군사용에서 무선 전화기용까지 다양하게 적용되어 왔으나 무겁고 에너지 저장 밀도가 낮으며, 전압이 2V로 자동차용 배터리로 가장 많이 사용된다. 자동차용 배터리는 12V로 2V 배터리를 직렬로 6개가 내부에 연결되어 있다. 구형 AIWA 워크맨 배터리에 사용되었으며 소니 무선전화기에도 일부 사용되었다. 과방전시 배터리 수명이 급속히 단축되는 특성을 지니며 특히 자동차의 경우 재충전이 안되면 배터리를 새로 구입해야 하는 경우가 발생한다.

2. 니켈카드뮴(Ni-Cd) 전지는 1899년 개발되어 전압은 1.2V이며 철도차량용, 비행기 엔진시동용 등 고출력이 요구되는 용도에 사용되었으며, 초기에는 무선전화기, 무선 자동차, 노트북, 캠코더에 많이 사용되었으나 낮은 에너지 저장밀도, 카드뮴의 유해성 및 메모리 효과(완전방전이 안된상태에서 재충전시 전지의 실질용량이 감소하는 현상) 등의 단점으로 점점 사용이 줄어들고 있다. 충전 가능한 전지중에서는 수명이 긴 편이며 외부의 충격, 열에 약하다. 내부에 사용되고 있는 금속은 독성이 강하고 약품은 극약이다.

3. 니켈수소(Ni-MH) 전지는 1990년대 초 일본에서 상용화 되어 중금속인 카드뮴을 제거하고 에너지 저장밀도가 향상 된 전지로 하이브리드차에는 적용되었으나 메모리효과가 있고 에너지밀도가 낮은 단점이 있다. Ni-Cd 전지와 Li-ion 전지 중간단계의 배터리로 특정 사이즈만 생산되고 있다. 워크맨, 디지털 카메라, 노트북, 캠코더 등에 사용되며 앞으로 리튬이온(Li-ion)전지가 더 안정화되면 니켈수소 배터리는 특수제품외에는 더 이상 사용이 안될 것으로 예상된다. 전압은 1.2V이며 니켈카드뮴 전지와 혼용하여 사용하는 제품이 많고 니켈카드뮴 전지보다 약 2배의 용량을 갖는다.

<이장로 박사 약력>
이학박사(고려대), 한국 전자기학회 6대회장, 숙대교수, 대학장 역임, 전국자연과학대학장협의회 부회장 역임, 영국 캠브리지 국제인명센터(IBC) 세계100대 최고과학자 선정등재, 저서 해석역학 외 7권, 국제과학인용색인논문(SCI) 136편 포함 357편의 국내외 논문 및 국내외 특허(미국, 유럽, 일본) 6건 보유.

신홍관 기자  hksnews@ifocus.kr

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