무음극 배터리

최첨단 배터리로 주목받는 무음극 배터리

국내외 배터리 회사의 연구진은 최근 무음극 배터리에 관심을 갖고 연구를 진행하고 있습니다. 무음극 배터리는 anode-free 또는 anodeless 배터리라고도 불리며, 배터리에 들어가는 음극재를 없애거나 음극재에 극소량의 리튬만 적용한 차세대 배터리입니다. 배터리 구조 중 음극에 들어가는 소재인 음극재 자체를 없애버린, 완전히 새로운 개념의 배터리죠. 현재 삼성SDI, SK온은 물론 테슬라와 현대차도 무음극 배터리에 관심을 갖고 연구 중입니다.

삼성전자 종합기술원이 무음극 배터리 기술을 적용한 전고체 배터리의 인포그래픽./삼성전자 종합기술원 제공

기존 배터리의 한계?

음극재는 배터리 충전 속도와 배터리 수명 같은 전기차의 핵심 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. 음극재에 흔히 쓰이는 흑연을 활용하는 기술은 현재 기술력으로 이미 최고 수준에 도달했기 때문에, 더 이상의 성능 개선이 어렵습니다. 그래서 연구진은 흑연 대신 실리콘 같은 다른 소재로 음극재를 만드는 방안을 연구하고 있는데요. 그러나 실리콘은 충·방전 시 부피가 3~4배 팽창하며 폭발이나 화재 위험이 있다는 단점이 있습니다. 배터리 성능을 늘리고 싶지만, 음극재 기술 혁신이 쉽지 않은 상황인 것입니다.

 

현재 방식으로 에너지 밀도를 더 높이기 어렵다는 것도 기존 배터리의 한계입니다. 많은 배터리 회사들이 에너지 밀도를 높이고자 여러 연구를 진행 중인데요. 에너지 밀도란 같은 무게의 배터리에서 얼마나 많은 에너지를 발생시킬 수 있느냐를 측정한 것으로, 배터리 성능을 가장 단적으로 나타내는 지표입니다. 에너지 밀도가 높은 배터리 = 좋은 배터리이기 때문에 많은 배터리 회사가 에너지 밀도를 개선하려고 노력하는데, 지금 당장의 배터리로는 에너지 밀도를 획기적으로 높이기는 불가능합니다. 전고체 배터리 같은 차세대 배터리가 뜨는 이유도 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있는 배터리 형태이기 때문입니다.

카이스트(KAIST) 김희탁 교수 연구팀이 개발한 무음극재 리튬이온배터리./카이스트 제공

무음극 배터리 기술 알아보기

작년 3월, 삼성전자 기술원은 네이처지에 음극재 대신 '석출형 리튬 음극 기술'을 적용한 배터리 구조에 관한 논문을 발표했습니다. 논문에 따르면 삼성이 발표한 무음극 배터리는 충전을 할 때 음극 표면에 리튬금속이 생기며 음극재 역할을 하고, 이후 충전이 끝나면 사라지는 구조입니다. 사실상 별도의 음극재가 들어가지 않는 '무음극' 배터리인 셈이죠. 이 배터리는 1,000번 이상 충·방전이 가능해 배터리 수명이 길고, 현재 출시된 전기차보다 주행거리도 길다고 합니다.


최근에는 카이스트 연구진이 음극 활물질을 저장하는 구리 집전체를 사용해 음극재 없이도 음극 기능을 구현할 수 있는 기술을 발표했습니다. 연구진은 이 기술을 사용하면 전해질을 조금만 넣어도 실제로 전자가 이동하며, 음극재가 따로 없어도 리튬이온 배터리가 구현된다는 것을 입증했습니다. 연구진은 음극재 부품 중 집전체만을 사용해서 음극재 없이 음극 기능을 구현했다는 점에서 무음극 배터리를 구현할 수 있는 새로운 방향성을 제시했다고 설명했습니다.

무음극 배터리가 가야 할 길

무음극 배터리는 이론적으로 배터리 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있는, 게임 체인저가 되기에 충분한 차세대 배터리입니다. 하지만 아직 연구는 완전히 초기 단계입니다. 음극재 없이 어떻게 배터리가 구동되게 하는지 그 원리를 밝히고, 설계를 만드는 단계의 실험이 아직 진행 중이죠. 업계에서도 아직은 무음극 배터리는 이론에 불과하다는 평가를 하기도 합니다.

아직 전고체 배터리도 상용화되지 않은 시점에서, 무음극 배터리는 너무 먼 얘기이며 상용화가 불가능할 것이라는 전망도 있습니다. 그러나 전기차 시장이 점점 성장함에 따라 더욱 고성능의 배터리는 반드시 필요합니다. 배터리 성능 개선이라는 궁극적인 목표를 위해 무음극 배터리는 더욱 활발히 연구될 것으로 보이는데요. 무음극 배터리의 기술적 방향성이 확립되고, 구현 가능성이 입증된다면 더욱 발전 속도가 빨라지지 않을까요?

※ 국내 연구진을 중심으로 무음극 배터리 관련 연구 논문이 나온 것을 볼 수 있는데요. 무음극 배터리가 현실화될 미래에도, 국내 기업들이 무음극 배터리 분야에서 주도권을 잡고 시장을 이끌어 갔으면 좋겠습니다.