차세대 전기차 배터리, '속도·용량·안전'을 잡아라[과학을읽다]

한국, 리튬이온전지 세계 1위 유지…차세대 배터리 연구 경쟁 치열

[아시아경제 김봉수 기자] 차세대 자동차의 심장, 빠르게 충전되고 많은 용량을 안정적으로 저장하는 전기차 배터리 개발은 전기자동차 산업은 물론 지구 온난화를 막기 위해 2050 탄소 중립 목표를 달성해야 하는 인류 전체의 최대 관심사다. 한국도 2020년 7월 확정한 ‘그린 뉴딜’ 정책을 통해 전기차 등 ‘그린 모빌리티’ 보급 확대를 가장 중요한 목표로 선정했다.

한국은 현재 대중화된 리튬이온 배터리 부문에서는 세계 최고 기술 수준을 자랑하고 있지만 전고체 전지 등 차세대 배터리 개발을 위한 연구 분야에선 중국ㆍ미국ㆍ일본 등 경쟁국가들에게 치이고 있는 형편이다. 이에 적극적인 정부의 지원과 민간의 연구 활성화를 통해 최대한 원천기술을 많이 확보해야 한다는 지적이 나오고 있다.

◇미래차 ‘심장’ 배터리

탄소 중립을 위해 내연기관 차량은 사라지고 있다. 그 자리를 전기차가 메우고 있다. 에너지 시장이 ‘화석연료’에서 변동성이 큰 풍력ㆍ태양광ㆍ수소 등 신재생에너지로 옮겨가면서 특성상 안정적 공급을 위한 저장소가 필수다. 고성능ㆍ고용량 배터리가 미래엔 현재의 석유만큼이나 중요한 역할을 하게 된다.

한국과학기술정보연구원에(KISTI) 따르면, 글로벌 배터리 시장은 최근 연평균 성장률(CAGR)이 20%를 넘고 있으며 2025년엔 600억달러(약 72조원)를 넘어설 것으로 전망된다. 이같은 글로벌 시장에서 한국 배터리 업체들은 사실상 세계 선두를 질주하고 있다. 2020년 기준 국내 배터리 생산규모는 23조3000억원대에 달한다. 이중 수출액은 7조2000억원으로 5년 연속 증가했다. 전기차용 배터리만 놓고봐도 2020년 기준 약 330억달러로 추산되고 연평균 성장률은 36.7%에 달한다. 전체 배터리 중 자동차 부문의 비중은 약 19.1%로, 자율주행차 등의 도입에 따라 고용량ㆍ고출력 배터리가 필요하게 돼 더욱 늘어날 것으로 보인다.

◇韓 배터리 3사 세계 시장 34% 점유

배터리 시장에서 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션 등 한국의 주요 3사는 2020년 11월 기준 세계 시장 점유율 34%로 전년 동월 대비 2배 이상 늘어나는 등 선제적 시장 진출의 덕을 톡톡히 보고 있다. 경제 동맹 관점에서도 중요성이 커지고 있다. 미국은 2021년 바이든 행정부가 들어선 후 전기차 보급에 더 적극적으로 나서면서 중국에게 주도권을 내주지 않기 위해 ‘한국과의 동맹’을 선언, LG에너지솔루션, SK이노베이션 등 한국 업체들의 자국내 공장 유치에 적극 나서고 있다. 문제는 현재 이차전지의 주류인 리튬이온전지가 내연기관차에 비해 아직은 느린 충전속도ㆍ주행거리라는 한계에다 잦은 화재ㆍ폭발 등 불안전성 이슈에 휘말려 있다는 것이다. 이에 따라 세계적으로 차세대 배터리 기술 개발 경쟁이 치열하다.

류승호 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원은 "기존의 리튬이온전지의 성능을 극대화 시키는 연구와 동시에 안전성이 향상된 전고체전지, 저가의 소듐이온전지 등의 차세대 배터리의 원천연구가 필요하다"면서 "우리나라 세계1위의 주도권을 가지기 위해 국가 차원에서 이차전지 산업을 육성해야 하며 연구 개발 및 산업 육성을 위해 정부가 나서서 지원해야 한다"고 조언했다.

◇3마리 토끼를 잡아라

차세대 배터리를 개발하는 데 넘어야 할 기술적 과제는 크게 세 가지다. 우선 주행거리를 늘리는 것이다. 현재의 리튬이온 배터리로는 완충 후 주행거리가 500km 안팎에 불과해 내연기관차를 따라갈 수 없다. 배터리 셀에 충전되는 전력의 용량을 늘려 에너지 밀도를 높이는 ‘에너지 저장 특성 향상 기술’이 필수적이다. 리튬이온 배터리 기반 물질 개발ㆍ특성을 개선하는 쪽과 액체 전해질을 고체 형태로 대체하는 전고체 배터리 개발 등 두가지 축으로 연구가 진행 중이다.

두 번째는 충전 속도 개선이다. 현재 1회 완충에 많은 시간이 걸리는 문제는 충전소 부족 문제와 함께 전기차의 보급을 저해하는 대표적 장애물이다. 과학자들은 배터리내 음극재ㆍ양극재를 오가는 이온의 속도를 향상시켜 충ㆍ방전을 빠르게 끝내고 고출력을 낼 수 있도록 하는 ‘배터리 출력 특성 향상 기술’에 연구를 집중하고 있다. 열관리를 효율화해 배터리 부하를 방지하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 리튬보다 싸고 더 풍부한 자원인 나트륨과 알루미늄 이온을 기반으로 한 새로운 소재의 배터리도 개발돼 특허를 따낸 상태다.

세번째, 배터리 시스템 고도화도 집중 연구되고 있다, 배터리의 상태를 감지하고 효과적으로 제어해 성능ㆍ수명ㆍ안전성을 늘리는 연구다. 특히 지능형 배터리관리시스템(BMS)은 한국이 그동안 성과를 거뒀던 리버스 엔지니어링만으로는 불가능하다. BMS는 전기자동차에 탑재되는 수백~수천 개의 배터리 셀에서 온도, 전압, 충전량 등을 모니터링하고 전송해 배터리 상태를 관리하는 기술로 전기차 보급이 확대되면서 중요성이 갈수록 강조되고 있다.

◇특허 앞섰지만 논문은 뒤져

국내 기관과 대학교들은 전기차 배터리 관련 특허면에서는 앞서고 있다. 특히 배터리 기술 향상 관련 특허 부문과 출력 특성 향상 기술의 경우 주요 특허들을 선점하고 있다. 하지만 연구 분야의 경우 중국, 미국 등 주요 국가에게 조금씩 자리를 빼앗기고 있다. KISTI에 따르면, 에너지 저장 특성 향상기술의 경우 연구 논문 발표 숫자 1~3위가 모두 베이징과기대, 칭화대, 중국과기대 등 중국 연구 기관들이다. 출력 특성 향상 기술에서도 칭화대(1위), 화남이공대학(5위), 중국과학원(6위) 등 실적 기준 상위권에 다수 포진됐다. 시스템 고도화 부문에서도 베이징과기대가 1위, 칭화대가 2위, 베이징교통대가 3위를 차지하고 있다. 국내에서는 성균관대, 카이스트(한국과학기술원), 충북대, 부산대, 삼성전자, 포항공대, 영남대 등이 연구 실적을 갖고 있다.

장우석 KISTI 선임연구원은 "한국의 경우 논문의 발표 건수는 (피인용횟수가 낮은)중국에 비해 낮은 수준을 보이고 있으며, 피인용 횟수가 높은 미국과 비교해도 60% 정도 수준이며, 논문의 질적 수준을 엿볼 수 있는 피인용 횟수도 1위 국가에 비해 15~30% 수준에 머무르고 있다"면서 "반면 특허는 양적으로 세계 1위를 차지하고 있으며 다양한 국가로부터 인정받아 활용 경쟁력이 높고 추후 기술 개발시 유리한 환경이 조성돼 있다"고 설명했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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