[기획특집: 에너지 저장 및 전환] 청정에너지 변환ㆍ저장 장치

청정에너지 변환⋅저장 장치

정 동 원⋅오 은 석^† 울산대학교 생명화학공학부

Systems for Clean Energy Conversion⋅Storage

Dong-Won Jung and Eun-Suok Oh^†

School of Chemical Engineering & Bioengineering, University of Ulsan, Ulsan 680-749, Korea

Abstract: 최근 들어 화석연료 사용에 의한 환경오염 및 고갈에 의한 가격 상승 등으로 인하여 재생가능하며 환경 친화적인 청정에너지로서 신재생에너지에 대한 관심이 집중되고 있다. 태양광, 풍력, 수소, 지열, 수력과 같은 청정에 너지원을 2차 에너지원인 전기에너지로 변환 또는 저장할 수 있는 에너지관련 산업은 향후 에너지 국산화 및 글로벌 경쟁력을 갖추기 위하여 가장 시급한 산업으로 인식되고 있다. 본 글에서는 수소연료전지, 태양전지, 그리고 리튬이온 전지로 대표되는 청정에너지 변환/저장 장치에 대해서 살펴보았다.

Keywords: photovoltaic cell, hydrogen energy, PEMFC, lithium ion battery

1. 서 론

1)

에너지는 존재하는 형태에 따라 역학, 열, 전기, 빛, 화학, 핵에너지 등으로 분류할 수 있으며 이들 은 다른 형태의 에너지로 변환이 가능하다[1]. 과 거의 대부분의 에너지 변환은 변환과정 중에 낭비 되는 에너지가 유용한 에너지보다 더 큰, 저효율 적인 에너지 변환방식이 주로 이용되어 왔으며, 또한 변환과정 중에 다양한 환경오염을 유발하였 다. 최근 들어 이와 같은 에너지 변환방식에서 벗 어나 환경오염을 최대한 억제하면서 고효율의 에 너지로 변환하는 방법에 관심이 집중되고 있다.

특히 지구 온난화를 유발하는 CO2발생을 억제하 고 전기에너지로 변환될 수 있는 신재생에너지원 개발이 전세계적인 주목을 받고 있다. 대다수 선 진국의 경우, 화석에너지 의존도에서 탈피하여 다 각적인 에너지원으로서 신재생에너지를 이용하고 자 많은 노력을 기울이고 있으며, 또한 온실가스 의 감축을 위하여 신재생에너지 관련기술 개발에

† 주저자 (E-mail: [email protected])

폭넓은 투자를 아끼지 않고 있다.

Figure 1에 보여진 바와 같이 에너지원의 대부 분을 화석연료 및 원자력과 같은 수입자원에 의존 하는 우리나라의 경우, 신재생에너지를 이용한 에 너지원의 다각화 및 자립화가 절실히 요구된다.

이는 기존 화석연료의 고갈에 대비한 에너지 국산 화 및 글로벌 환경규제에 대비한 에너지 경쟁력 향상에 기여할 것이다. Table 1에는 지난 10년간 국내의 신재생에너지 분야별 공급량을 열거하였 다. 신재생에너지원의 공급비중이 꾸준히 상승하 고 있으나, 아직도 전체 에너지원에서 신재생에너 지가 차지하는 비중은 미흡하다고 할 수 있다. 2007 년을 기준으로 신재생에너지는 전체 에너지원의 약 2.4%를 차지하고 있으며, 그나마 77%는 폐기 물자원으로부터 얻고 있는 실정이다. 따라서 신재 생에너지에 대한 대규모 투자 및 연구개발을 통하 여 신재생에너지 공급량을 획기적으로 늘려야 할 필요성이 있다.

현재 우리나라의 신재생에너지 관련기술은 선 진국 수준의 약 70% 정도로 알려져 있다. 그러나 태양광 발전, 풍력, 조력, 수소에너지, 바이오매스

Table 1.

구 분 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

공급량 1,419.0 1,712.9 1,897.2 2,127.4 2,453.2 2,917.3 4,436.4 4,582.4 4,879.2 5,225.2 5,608.8

공급비중 1.2 1.7 1.6 1.6 1.5 1.8 2.1 2.1 2.1 2.2 2.4

태양열 45.5 44.0 42.1 41.7 37.1 34.8 32.9 36.1 34.7 33.0 29.4

태양광 0.8 0.9 1.1 1.3 1.5 1.8 1.9 2.5 3.6 7.8 15.3

바이오 67.6 63.2 64.9 82.0 82.5 116.8 131.1 135.0 181.3 274.5 370.2 폐기물 1,282.5 1,577.2 1,760.5 1,977.7 2,308.0 2,732.5 3,039.3 3,313.2 3,705.5 3,975.3 4,319.3 수 력 22.5 27.2 27.1 20.5 20.9 27.6 1,225.6 1,082.3 918.5 867.1 780.9

풍 력 0.2 0.4 1.5 4.2 3.1 3.7 5.2 11.9 32.5 59.7 80.8

지 열 0.1 0.4 1.4 2.6 6.2 11.1

출처：e-나라지표, 신재생에너지센터, 신재생에너지보급통계

Figure 1.

출처：e-나라지표, 에너지경제연구원, 에너지통계연보

등 다양한 신재생에너지의 영역 내에서 세계적 수 준으로 발돋움할 수 있는 기회는 얼마든지 있다.

특히 태양광 발전의 경우, 세계적 수준의 국내의 반도체 및 LED 기술, 이차전지 제조기술 등을 활 용한다면 세계 최고 수준의 전력생산 효율을 지닌 태양전지 및 전력저장 장치의 하이브리드 시스템 개발이 가능할 것으로 여겨진다. 또한 수소연료전 지, 염료감응태양전지, 리튬이차전지 등의 녹색기 술에서도 세계적인 수준의 기술력을 축척하고 있 으므로 향후 신재생에너지 산업에서 충분히 글로 벌 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다.

본 글에서는 대표적인 에너지 변환 및 저장장치 로 이미 상용화 또는 상용화 단계에 접어든 수소 연료전지와 태양전지, 그리고 리튬이온 이차전지 에 대해서 간략하게 소개하고자 한다.

2. 수소연료전지

연료전지는 전기화학적인 반응으로 연료의 화 학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이 다. 변환과정에서 발생하는 에너지 손실이 적기 때문에 효율이 높고, 기계적인 작동장치가 없기 때문에 소음 및 진동이 거의 없다. 무분별한 화석 연료의 사용으로 인하여 지구온난화의 주범인 CO2의 배출이 증가함에 따라 연료전지는 청정, 고 효율의 에너지원으로서 각광을 받고 있다. 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 빠른 시동성 및 응답성, 80

℃의 저온 작동, 높은 에너지 밀도 및 전력밀도 등 의 장점을 가지고 있어 전기자동차 및 가정용 전 원의 동력원, 발전기 등의 다양한 용도로 이용될 수 있다[2,3]. 미국 에너지국(Department of Energy, DOE)의 전망에 의하면 고분자전해질 연료전지에 대한 기술개발이 성공적으로 이루어질 경우 2015 년에 상업화되고, 2040년에는 연료전지 자동차가 대량으로 생산될 것으로 전망하고 있다.

이와 같은 연료전지는 화석연료를 사용하는 기 존의 내연기관 동력발생장치와 다르게 수소를 연 료로 사용하여 산소와 반응을 통하여 전기동력 및 물을 생성하기 때문에 공해물질 배출이나 소음이 전혀 없다. 또한 열역학적 제한이 없기 때문에 발 전효율이 최대 80%까지 이르는 고효율 발전장치 이며, 단위부피당 높은 출력밀도를 나타낸다[4-7].

또한 이차전지와는 다르게 연료의 연속적인 공급 이 가능하면 계속적으로 전기⋅열에너지를 생산 할 수 있으므로 태양광과 풍력 등의 다른 신재생 에너지원과 연계하여 도서벽지의 on-site 발전소 에 이용할 수 있는 장점이 있다.

2.1. 고분자전해질 연료전지의 원리 및 구조 연료전지는 사용되는 전해질 또는 연료에 따라 인산형연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 용융탄 산염연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Mem- brane Fuel Cell, PEMFC), 그리고 직접메탄올연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등으로 분류된다. 본 글에서는 자동차용으로 주로 사용되 는 고분자전해질 연료전지에 대해서 다루고자 한다.

고분자전해질 연료전지는 Figure 2에 나타낸 바 와 같이 proton 전도성 고분자의 양면에 수소산화 반응이 발생되는 anode와 산소환원반응이 발생되 는 cathode 구조로 되어 있으며, 양 전극에서 아 래와 같은 전기화학적 반응에 의하여 전기가 발 생한다.

Anode : 2H₂ → 4H⁺ + 4e^-

E^o = 0.0 V (1) Cathode : O₂ + 4H⁺ + 4e^- → H2O

E^o = 1.23 V (2) Overall : 2H₂ + O₂ → 2H2O

E^o = 1.23 V (3)

Anode에 유입된 수소는 촉매의 표면에서 pro- ton과 electron으로 산화된다. 이 때 proton은 proton 전도성 고분자전해질막(Figure 3)을 통해서 cathode로 이동하고 전자는 외부회로를 통해서 전 기적인 일을 하고 cathode로 이동한다. 그리고 cathode에서는 anode에서 생성된 proton, 전자, 그 리고 cathode에 유입된 산소가 촉매에 의해서 결 합하여 물이 된다. 이 때 전기화학적 표준 전위차

Figure 2.

Figure 3.

는 1.23 V이다. 실제 고분자전해질 연료전지는 약 1.0 V의 전압과 산성 분위기에서 운전되기 때문에 현재 전극촉매는 수소와 산소에 대한 촉매활성과 전기화학적 내구성이 우수한 Pt 또는 Pt 합금촉매 가 사용되고 있다.

2.2. 문제점 및 개선 방안

고가의 제조비용과 내구성 문제는 연료전지의 본격적인 상업화에 걸림돌이 되고 있다[8-10]. 즉, 고분자전해질 연료전지를 구성하는 핵심부품인 고분자전해질, 전극 및 촉매, 분리판(bipolar plate) 등의 가격절감과 내구성 문제 해결이 연료전지의 상업화를 앞당길 수 있다. 고분자전해질 연료전지 의 전극은 수소산화반응(hydrogen oxidation reac- tion, HOR)이 발생되는 anode와 산소환원반응

(oxygen reduction reaction, ORR)이 발생되는 cathode로 구분된다. 전극에는 수소와 산소의 이 온화 반응을 촉진하기 위해 일반적으로 Pt 촉매가 사용되고 있다. 전체 고분자전해질 연료전지의 제 조비용에서 고가의 귀금속인 Pt 또는 Pt 합금촉매 가 차지하는 비중이 매우 높아 연료전지의 상용화 를 위해서는 촉매의 비용절감이 가장 많이 요구되 고 있다. Pt 촉매의 사용량을 줄이고 Pt 촉매를 효 율적으로 이용하기 위하여 입자의 미립자화에 의 한 표면적을 증가시키는 방향으로 연구가 진행되 고 있으며, 현재의 촉매입자의 입경은 2∼3 nm 정 도이다[11]. 아래 식 (4)와 (5)에서 알 수 있듯이 입자의 크기가 작아질수록 반응표면적과 분산도 는 증가한다.

_{  }

 (4)

여기서 S는 표면적, ρ는 입자 밀도(Pt = 28 m²/g), 그리고 d는 입자 지름이다.

_{분산도  }

총원자 갯수

표면원자 갯수 (5)

따라서 제조방법에 따른 촉매입자 크기의 조절 과 새로운 촉매담지체를 이용한 촉매 사용량의 절 감에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이밖에도 반응가스의 확산을 원활하게 하고 이온전도도를 증가시키기 위하여 막전극접합체(Membrane Elec- trolyte Assembly, MEA)의 두께를 감소하려는 노 력이 진행 중이며, 현재 MEA 촉매층 두께는 50 µm 정도의 수준을 유지하고 있다.

고분자전해질 연료전지의 상용화를 위해서 0.1

∼0.5 mg/cm²의 Pt 촉매 사용량을 앞으로는 현재 사용량의 1/5∼1/10 정도로 줄여야 한다[12]. 일반 적으로 사용되는 Pt 사용량은 anode에서 0.2∼0.4 mg/cm²이지만 0.05 mg/cm²까지 낮추는 것이 가 능하다고 알려져 있다. 반면에 상용화되고 있는 대부분의 MEA cathode는 0.4 mg/cm² 정도의 Pt 촉매를 사용하고 있으나 촉매의 함량을 낮추는 것

Figure 4.

출처：E. J. Carlson, et al. cost analysis of PEM fuel cell systems for transportation, NREL, p. 5, 2005.

이 쉽지 않다. 반응속도 측면에서 보면 anode에서 발생하는 HOR은 반응속도가 빠른 반면에, cath- ode 측의 ORR은 반응 속도가 매우 느려서 고분자 전해질 연료전지의 전체 전기화학반응 속도를 지 배한다고 할 수 있다. 또한 ORR은 전극에 높은 과전압(1.2 V vs SHE)을 유도하여 고분자전해질 연료전지의 효율을 감소시키고 반응식 (6), (7)에 같이 Pt의 용해를 유발하여 촉매의 내구성을 저하 시킨다.

Pt + H₂O = PtO + 2H⁺ + 2e^- (6) PtO + 2H⁺ = Pt²⁺ + 2H₂O (7)

따라서 Pt 촉매의 함량을 낮추면서도 ORR 반응 에 대한 촉매활성 및 반응속도를 증가시키고 더불 어 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 방안에 대 한 연구가 필수적이라 할 수 있다. 미국 DOE의 발표에 의하면 Figures 4와 5에 나타낸 것과 같이 연료전지 시스템의 제조비용 중 66%를 스택이 차 지하고 있으며, 스택비용 중 77%는 Pt 촉매가 차 지하고 있다[13]. 따라서 고분자전해질 연료전지 의 상용화를 이루기 위해서는 Pt 촉매의 사용량 절감이 필수적이라 할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 입자크기를 조절하여 촉매의 반응표면적을 확대함으로써 촉매의 사용량을 저감하는 것과 더

Figure 5.

출처：E. J. Carlson, et al. cost analysis of PEM fuel cell systems for transportation, NREL, p. 6, 2005.

불어 전극을 고분자 전해질에 분산하여 전극에 도 포시, Pt촉매가 고분자전해질과 적절히 배치되어 Pt 촉매의 이용률을 높이는 연구들이 현재 진행되 고 있다. 이밖에도 anode측 촉매에서 연료 중 불 순물에 의한 손상과 성능감소 문제를 줄여주고, cathode 측에서는 Ru, Co, Ni, Mo, Cu 등의 합금 화를 통하여 촉매 활성을 향상시키는 연구가 병행 되고 있다.

고분자전해질 연료전지의 전극 개발에서 핵심 은 저비용, 내구성, 장수명, 고효율이라 할 수 있 다. 따라서 향후 Pt 사용량의 절감을 위한 전극제 조법, Pt 합금화를 통한 내구성 향상, 또는 Pt 촉매 를 대체할 수 있는 저비용 촉매개발 등의 연구가 지속되어야 할 것으로 판단된다[14-17].

3. 태양전지

Figure 6에 보여진 바와 같이 전 세계의 연간 에 너지 사용량은 2010년 기준 500 EJ (10¹⁸ joule) 정 도로 추산되고 있다. 그러나, 산업 발전, 인구 증 가, 전기사용 인구수 증가 등의 여러 가지 요인에 의하여 에너지 사용량은 지속적으로 증가하여 향 후 30년 후에는 현재의 두 배에 이를 것으로 예상 되고 있다. 따라서 기존의 에너지원으로 사용되어

Figure 6.

출처：www.agenda21-treffpunkt.de.

오던 화석연료 및 원자력 외에 다른 에너지원이 절실히 요구되고 있으며, 그 대안으로 원료의 고 갈 및 폐기물 처리 등의 환경문제를 유발하지 않 는 태양광 발전이 가장 경제적이면서도 유망한 에 너지원으로 꼽히고 있다.

태양광 발전 시스템은 입사되는 태양광이 무한 하고 제조원가가 매우 낮으며, 동시에 화력, 원자 력 발전과 같이 수차나 turbine 등의 회전마찰에 의한 에너지 낭비가 없고 대기오염물질의 발생이 거의 없는 청정에너지 변환 방법이라 할 수 있다.

또한 장치가 간단하고 유지관리가 간편하기 때문 에 시스템의 무인자동화가 가능하여 인공위성이 나 도서벽지 등의 전원으로 적용이 용이하다. 이 시스템을 기존의 전력 계통선과 연계하여 사용할 경우 계통 연계형(Grid-connected) 시스템, 독립적 으로 자력발전만 하는 경우를 독립형(Stand-alone) 시스템이라고 한다. 태양광 시스템은 Figure 7에 보여진 바와 같이 태양전지 모듈부분(module)과 PCS (power conditioning system)부분으로 구성되 며, 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체, 염료, 고분자 등의 물질로 구성된 핵심소 자를 태양전지(Photovoltaic Cells)라고 한다.

일반적으로 1개의 태양전지 셀에서 발생되는 전압은 약 0.5 V로 매우 낮기 때문에 여러 개의 태 양전지를 직⋅병렬로 연결하여 사용전압에 따라 서 출력을 낼 수 있도록 모듈을 구성하여 사용한 다. 그리고 기존의 상용전력계통과 연계하여 사용

Figure 7.

출처：신⋅재생에너지 RD&D 전략 2030, 산업자원부, p. 4.

분 야 기 업

폴리실리콘 동양제철화학, KCC, LG화학, 한화석유화 학, 웅진폴리실리콘

잉곳, 웨이퍼 코오롱, SKC

셀 현대중공업, LG전자, 삼성전자, 신성이엔지, 미리넷솔라

모듈 에스에너지, 현대중공업, LG전자, 삼성SDI, LS산전, 유니슨

시스템 현대중공업, LS산전, 효성, 이건창호, LG화 학, 에스에너지

Table 2.

할 수 있도록 태양전지에서 생산된 직류전기를 교 류전기로 변환시키는 장치를 PCS라고 한다. 국내 태양광 발전기술은 1987년에 제정된 ｢대체에너지 기술개발 촉진법｣을 근거로 하여 1988년부터 대 체에너지 기술개발에 대한 기본계획과 함께 체계 적으로 추진되기 시작하였다. 태양전지 셀 분야에 서는 현재 상업화되어 있는 결정질 실리콘 태양전 지의 국산화 및 고효율화, 그리고 박막형 및 염료 감응형 태양전지 등의 저비용, 고효율에 초점을 맞추어 개발에 주력하고 있다. 특히 태양전지 셀 제조기술은 반도체 소자 및 디스플레이 제조기술 과 매우 흡사하여 세계적 수준의 반도체 및 디스 플레이 제조 기술력을 보유하고 있는 국내 산업역 량을 바탕으로 단기간에 선진국들과 대등한 기술 력을 발휘할 수 있는 매우 유망한 분야라 할 수 있 다. Table 2에는 국내의 태양광 관련기업들을 보 여주고 있다.

태양전지는 셀을 구성하는 소재에 따라 Figure 8과 같이 실리콘계, 화합물계, 기타 염료감응형 및 유기박막 태양전지 등으로 분류되어진다[18]. 현

Figure 8.

출처：이준신, 김경해, 태양전지 공학, 도서출판 그린, p. 364 (2007).

Figure 9.

재 상용화되고 있는 태양전지의 약 90%는 결정질 실리콘반도체 소재를 이용하고 있으며, 이들 태양 전지의 광변환 효율은 약 15∼20% 이내이다.

결정질실리콘 태양전지는 Figure 9와 같이 전자 결핍의 p형과 전자과잉의 n형 반도체가 접합되어 있고 앞뒤의 표면에 금속전극이 코팅되어 있는 구 조이다. pn 접합에 의하여 전자-정공 쌍이 생성되 며, 이로 인하여 접합부 부근에서 전기장을 형성 하게 된다. 그리고 반도체 소재의 band-gap 에너 지보다 큰 에너지를 지닌 태양광이 입사되면 p, n 형 반도체 내에서 전자 및 정공이 움직일 수 있는 에너지를 얻게 되고 접합부 부근에서 생긴 전기장 에 의하여 전자는 n형 반도체 층으로, 정공은 p형 반도체 층으로 모여서 광기전력(Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 연결된 외부

회로에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.

결정질실리콘 태양전지는 실리콘의 결정구조에 따라서 단결정(single-crystal)과 다결정(poly-crys- tal)으로 분류된다. 단결정 실리콘의 경우, 결정내 부에 결함이 적고 순도가 높기 때문에 높은 효율 의 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 있지만 제 조단가가 높아지는 단점이 있다. 반면에 다결정 실리콘은 단결정에 비해 효율은 낮지만 제조단가 가 저렴하여 저가의 태양전지 구현에 보다 유리한 측면이 있다. 이와 같은 실리콘계 태양전지의 광 변환 효율의 한계치는 단결정일 때 35%, 다결정 일 때 19% 정도인 것으로 예측되고 있으나, 아직 은 이에 도달하지 못하고 있는 실정이다[18]. 현재 상용화에 적용 가능한 다결정 실리콘 태양전지는 약 13∼15% 정도의 광변환 효율을 보이고 있다.

따라서 태양전지의 실용화를 위해서 해결해야 할 가장 시급한 과제는 저가의 다결정실리콘 기판 제 조와 기판내부의 불순물 제거 등의 기술력 확보를 통해 고효율, 저비용의 태양전지를 제조하는 것이 라 할 수 있다.

박막형 실리콘 태양전지는 벌크형 실리콘 태양 전지에 비해 실리콘 사용량을 1/100 수준으로 낮 출 수 있으므로 소재의 원가를 줄일 수 있고 대면 적화가 용이하며, 양산공정을 통하여 생산원가를 절감할 수 있는 장점이 있으나 에너지 변환효율이 10% 이내로 벌크형에 비하여 낮고 초기 투자비용 이 비교적 높은 편이다. 한편, CIGS, CdTe와 같은 화합물 반도체는 1∼2 µm의 박막으로 고효율의 태양전지 제조가 가능하고 전기⋅광학적으로 안 정하기 때문에 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 소재로 부각되고 있다. 염료감응형 태양전지의 경 우 기존의 실리콘 및 화합물 반도체 태양전지와 다르게 빛에너지의 흡수와 전하이동 과정이 분리 되어 있다. 태양의 빛에너지 흡수는 다공성 TiO2

반도체 표면에 코팅되어 있는 염료가 담당하고 전 하의 이동은 다공성 TiO2반도체를 통하여 이루어 진다. 이와 같은 염료감응형 태양전지는 실리콘계 태양전지에 비하여 에너지 변환효율은 낮지만 제 조비용이 저렴하고 투명한 태양전지 셀을 형성할

수 있다는 장점으로 인하여 국내외에서 많은 연구 가 이루어지고 있다.

결론적으로, 태양전지는 제조기술은 기존의 반 도체, 디스플레이, LED 등의 소자 제조기술과 흡 사하여 세계적 수준의 국내의 기술력, 인적, 물적 인프라를 활용한다면 단기간에 글로벌 기술 경쟁 력을 갖출 수 있는 잠재력을 지니고 있는 분야이 다. 따라서 보다 많은 연구와 투자가 이루어진다 면 에너지 국산화에 기여하고 환경규제에 대비한 국제적인 경쟁력을 갖춘 매우 유망한 산업으로 발 전할 것으로 판단된다.

4. 리튬이온 이차전지

리튬이온 이차전지는 니켈수소 및 니켈카드뮴 이차전지에 비하여 에너지 밀도와 용량이 높고 자 기 방전에 의한 전력손실이 적으며 전지의 메모리 효과가 없기 때문에 1990년대 이후 휴대용 소형 전자기기의 에너지원으로 주로 사용되어 왔다. 또 한 기존의 내연기관 자동차의 연료인 석유자원의 고갈과 자동차 배기가스에 의한 환경오염 문제 등 으로 인하여 친환경 자동차인 하이브리드(Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 자동차, 전기 자동차 (Electric Vehicle)가 급부상하면서, 그 동력원으로 서 리튬이온 이차전지에 대한 관심이 집중되고 있 다. 현재까지는 유기계 전해액을 사용하는 리튬이 온 이차전지의 안정성에 대한 우려로 인하여 하이 브리드 및 전기자동차의 경우 주로 니켈수소 이차 전지를 사용해 왔으나, 최근 들어 리튬이차전지의 안정성이 크게 개선되면서 점진적으로 리튬이차 전지를 채택하는 자동차 제조회사들이 늘고 있는 실정이다.

한국 전자정보통신산업진흥회에서 무역위원회 에 보고한 자료에 의하면 리튬이차전지의 세계시 장 규모는 2007년 88억불에서 2015년에는 220억 불로 확대될 것으로 예상되며 특히 자동차용 중대 형 리튬이차전지의 시장이 급성장할 것으로 예측 하였다(Table 3 참조). 최근 들어서는 휴대형 모바

구 분 ’07년 ’09년 ’11년 ’13년 ’15년 연평균성장율

시장규모 88 119 158 185 220 25.7%

(모바일IT용) (87) (100) (108) (118) (125) (9.5%)

(자동차용) (0.0) (1.8) (13.3) (29.6) (39.2) (179.3%)

출처：한국전자정보통신산업진흥회 보고 자료(IT총연, 후지경제보고서, 키메라보고서, 한국전자정보통신산업진흥회 재분석).

Table 3.

일기기 및 자동차용 외에도 일본, 유럽, 미국 등과 같이 전력생산 및 변환효율에 대한 관심이 높은 선진국들을 중심으로 신재생에너지의 대용량 전 력저장 장치로 리튬이온 이차전지를 이용하려는 시도가 활발하게 진행되고 있다. 따라서 향후 리 튬이차전지 시장은 Table 3에서 예측된 수치보다 훨씬 증가할 수 있을 것이다.

리튬 이차전지는 일반적으로 LiCoO2와 같은 리 튬 전이금속 산화물을 양극활물질로 사용하고 흑 연계 물질을 음극활물질로 사용하고 있으며, 리튬 이온의 이동 통로 역할을 하는 전해액은 비교적 높은 전압에서도 안정한 카보네이트계 유기용매 를 사용하고 있다. Figure 10에는 리튬이온 이차전 지의 구조를 도시하였으며, 전지의 충방전시 양극 및 음극에서 일어나는 반응은 각각 다음과 같다 [19].

∙ 양극 LiCoO2 ⇄ Li1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe^- ∙ 음극 : C6 + xLi⁺ + xe^- ⇄ LixC₆

∙ 전체 반응 : LiCoO2 + C₆⇄ Li1-xCoO₂ + Li_xC₆

충전시에는 리튬이온의 원천역할을 하는 양극 활물질에서 리튬이온이 탈리하여 리튬이온의 저 장소 역할을 하는 음극의 탄소층상구조의 층간으 로 이동하고, 방전시에는 이와 반대로 리튬이온이 음극에서 양극으로 되돌아가면서 전기를 발생한 다. 따라서 양극활물질의 리튬이온 활성화도와 음 극활물질에서 리튬이온을 삽입(intercalation)할 수 있는 충분한 공간의 존재가 전지의 성능을 좌우한 다고 할 수 있다.

Table 4에 현재 양극활물질로 사용되고 있거나 연구되어지고 있는 소재들을 열거하였으며, 각각

Figure 10.

의 특징들을 간략하게 보여주고 있다. 상용화된 리튬이온전지의 양극활물질로 주로 쓰이는 LiCoO2

경우, 합성이 용이하고, 용량 및 출력이 비교적 높 은 편이나 cobalt계의 가격이 다른 소재에 비하여 상대적으로 높은 편이다. 따라서 최근 들어 NMC 와 같은 삼성분계 양극활물질 사용이 점차적으로 증가하고 있는 추세이다. 이밖에도 자동차용, 전력 저장용과 같은 중대형 리튬이차전의 경우 상대적 으로 가격이 저렴하면서 안정성이 있는 LMO, LFP 등을 이용하고자 하는 연구들이 진행되고 있다.

음극활물질의 경우 안정성 및 가역성이 우수한 흑연계 활물질을 주로 사용하고 있지만, 휴대용 전자기기의 다양화 및 고기능화, 하이브리드(플러 그인 하이브리드 포함) 자동차 개발 등으로 인하 여 기존의 흑연계 음극활물질보다 용량 및 출력이

LCO (LiCoO2)

NCA (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)

LMO (LiMn2O4)

NMC (Li[Co1/3Ni1/3Mn1/3]O2)

LFP (LiFePO4)

구조 Layered Layered Spinel Layered Olivine

가역용량

(mAh/g) 140 180 120 170 150

전압(V) 3.6 3.5 3.8 3.6 3.45

장점 고전도도,

합성용이 고용량,

전해질 안정성 저가, 친환경,

고안정성 고용량, 중저가,

열적안정성 저가, 친환경,

방전곡선평탄 단점 고가, 저안정성 고가, 합성 어려움,

열적 불안정 저용량,

Mn 용해 낮은 Tap 밀도 저전도도

출처：한국전기연구원

Table 4.

우수한 음극활물질 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 이와 관련하여 실리콘 또는 주석계 활 물질이 리튬과 화합물 형성반응을 통하여 다량의 리튬이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있음이 알려지면서, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Figure 11에는 다양한 금속계 음극활물질들 의 이론용량을 보여주고 있다. 그러나 실리콘계와 같은 고용량 활물질은 충방전시 리튬이온과의 반 응에 의한 부피 변화가 300% 이상으로 매우 크며, 이로 인하여 전지의 충방전시 전극 내에서 매우 큰 stress가 형성된다. 결국 이와 같은 stress로 인 하여 음극활물질이 전극의 집전체로부터 탈리되 거나, 전극 내 crack이 발생하여 음극활물질간 저 항 증가를 유발한다. 또한 고체 전해질막 형성에 따른 비가역 증가 등으로 인하여 충방전이 진행됨 에 따라 전극의 용량의 급격히 저하되어 이차전지 의 사이클 수명이 짧아지는 문제점을 가지고 있 다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 다양한 연 구들이 진행되고 있으나 아직 상업적으로 이용할 만할 고용량 음극활물질은 개발되지 못하고 있는 실정이다.

리튬이온의 이동 통로 역할을 하는 전해액은 에 틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸-메틸 카보 네이트(ethyl-methyl carbonate) 등과 같이 리튬이 온 전지의 작동 전압에서 화학반응을 일으키지 않 는 유기용매에 1 M 정도의 LiPF6, LiBF₄, LiClO₄ 등의 리튬염을 용해하여 사용하고 있다. 이와 같

Figure 11.

출처：National Institute of Advanced industrial Science &

Technology.

은 액상타입의 전해액은 발화 및 전해액 누액 등 과 같은 리튬이온 이차전지의 안정성에 심각한 영 향을 미칠 수 있는 요인이 되고 있다. 따라서 이온 전도도는 낮지만 전기화학적으로 안정하면서도 발화 및 전해액 누액에 대한 염려가 적은 고분자 전해질 및 고체전해질 등이 최근 주목을 받고 있 다. 향후 자동차용 및 전력저장용과 같은 중대형 리튬이온 이차전지의 경우 높은 안정성을 확보하 기 위하여 유기용매 타입의 전해액 대신 이온전도 도 등이 향상된 고분자 또는 고체전해질 사용이 확대될 것으로 판단된다.

앞서 언급한 양극 및 음극활물질, 전해액 외 양 전극에 대한 전기적인 절연체의 기능을 하는 분리 막 또한 리튬이온 이차전지의 주요한 소재라 할 수 있다. 분리막을 통하여 리튬이온이 이동하기 때문에 분리막은 다공성 절연체 물질이어야 하며,

구 분 일 본 한 국 중 국 미 국

제조 기술 100 100 50 30

부품⋅소재 100 50 40 40

원천 기술 100 30 10 80

Table 5.

출처：한국전자정보통신산업진흥회(KEA) 보고자료

이온 투과도 및 화학적 안정성 또한 뛰어나야 한 다. 일반적으로 20 µm 이하의 다공성 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 필름 등이 이용되고 있으며, 최근에 는 전지의 안정성을 향상시키기 위하여 상기 고분 자 필름위에 세라믹을 코팅한 분리막 등이 개발되 고 있다.

현재 국내의 리튬이온 이차전지의 제조기술은 일본과 비교하여 차이가 없으나 부품⋅소재 및 원 천기술은 아직 일본의 수준에 크게 못 미치고 있 으며, 또한 음극활물질 및 분리막 등 핵심소재의 대부분은 수입에 의존하고 있는 실정이다(Tables 5, 6 참조). 따라서 부품⋅소재 기업과 인력의 육 성을 통하여 글로벌 경쟁력을 확보하고 또한 소재 의 국산화율을 제고하기 위하여 더 많은 노력과 투자가 절실히 필요하다.

5. 결 론

화석연료의 대체와 환경 친화적인 청정에너지 의 개발은 이제 목표가 아닌 현실로 다가오고 있 다. 지구 온난화에 따른 이상기후 현상이 발생하 는 21세기 현재, 이에 대응하여 CO2발생을 억제 하고 새로운 에너지원을 개발하기 위하여 신재생 에너지에 대한 세계적인 관심이 집중되고 있다.

국내에서도 정부의 녹색성장 정책으로 화석연료 에너지에서 탈피하여 다각적인 에너지원을 이용 하고자 하는 노력들이 경주되고 있다. 이제, 신재 생에너지 산업은 화석연료의 고갈에 대한 대응책 일 뿐만 아니라, 에너지 국산화 및 국제 환경규제 에 대비하여 에너지 경쟁력을 갖추기 위한 최우선 의 산업이라 할 수 있다. 따라서 청정 수소에너지 와 무한히 존재하는 태양에너지를 전기에너지로

Table 6.

핵심소재 국산화율 일본 중국 기타

양극활물질 87% 10% 3% －

음극활물질 1% 85% 14% －

분리막 12% 85% － 5%

전해액 95% 5% － －

출처：한국전자정보통신산업진흥회(KEA) 보고자료

변환할 수 있는 수소연료전지와 태양전지에 대한 끊임없는 연구개발이 진행되어야 할 것이다. 이와 더불어 신재생에너지의 전력생산 효율을 높이기 위한 방편으로 대용량, 장주기 등이 가능한 저비용 이차전지에 관한 연구가 병행되어야 할 것이다.

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오 은 석

1994 중앙대학교 화학공학과 학사 1996 서울대학교 화학공학과 석사 2002 Texas A&M Univ.

화학공학과 박사

2002∼2004 Texas A&M Univ. Post-doc.

2005∼2008 LG화학 기술연구원 선임연구원

2008∼현재 울산대학교 생명화학공학부 조교수

정 동 원

2002 울산대학교 금속공학과 학사 2004 울산대학교 재료공학과 석사 2010 울산대학교 재료공학과 박사 2010∼현재 울산대학교 생명화학공학부

연구원

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