[비즈니스포스트 채널Who] 전기차 시장의 확대로 2차전지가 뜨고 있다. 지금 대세는 리튬이온 배터리다. 

하지만 궁극적으로는 전고체 배터리의 시대가 올 거란 전망도 나온다. 

전고체 배터리의 시대에는 소재의 변화도 불가피할 것으로 보인다. 그래서 주목할 만한 분야가 리튬메탈 음극재다. 

다른 배터리와 마찬가지로 리튬이온 배터리도 양극과 음극, 전해질로 구성돼 있다. 여기에 들어가는 이른바 4대 소재가 양극재, 음극재, 전해질, 분리막이다. 

특히 전해질은 유기 용매로 구성된 액체 전해질이 주로 쓰인다. 유기 용매가 리튬의 원활한 이동을 돕기 때문에 성능 면에서 유리하기 때문이다. 

액체 전해질로 된 배터리에서는 양극과 음극이 직접적으로 접촉하지 않도록 분리막도 필요하다. 

지금까지 이런 구성의 리튬이온 배터리가 시장의 대세간 된 것은 현재로서는 가장 경제성이 있으면서도 성능이 좋기 때문이다. 하지만 치명적 약점도 있다. 

전기차와 에너지저장장치 등의 보급을 확대하려면 배터리 성능이 더 개선돼야 한다. 그래서 배터리의 에너지 밀도를 높이는 게 중요한 과제인데 에너지 밀도가 높을수록 위험도 역시 높아진다.

데이터센터와 에너지저장장치 등의 화재 사건이 종종 보도되는데 대개 문제가 되는 부분이 바로 배터리다. 

화재와 폭발이 일어나는 조건을 살펴보면  먼저 불에 타는 연료가 있어야 한다. 또 불이 붙으려면 산소가 필요하다. 불이 붙는 사건, 즉 점화가 됐을 때 연료와 산소가 충족된다면 불이 나고 폭발할 수 있게 된다. 

리튬이온 배터리에서 유기용매 전해액은 불에 타는 연료인 셈이다. 그리고 양극재의 산화물은 산소를 공급한다. 이 때문에 어떤 이유에서든 점화가 일어나면 화재와 폭발로 이어질 수 있다. 

그래서 이에 대한 효과적 대안이 연소가 되는 액체 전해질을 쉽게 연소되지 않는 고체로 바꾸는 것인데 이게 바로 전고체 배터리다. 

일단 전고체 배터리에서는 분리막이 필요 없게 되고 액체가 아니기 때문에 액체를 둘러싸는 데 들이는 노력도 필요 없어진다. 셀을 구성하던 부재료도 줄어들게 된다. 많은 장점이 생기는 셈이다. 

그런데 리튬메탈 음극재는 왜 나오는 걸까?

2차전지 개발 초기부터 음극재로 순수한 리튬을 사용해 보려는 연구가 있었다. 하지만 순수 리튬 음극재는 화재, 폭발을 일으키는 덴드라이트를 형성하고 합선이 일어나는 문제가 있었다. 

그러다 탄소 소재가 안정성이 높으면서도 리튬에 잘 반응해 에너지를 저장할 수 있다는 사실이 발견되면서 오늘날 흑연 음극재가 보편화됐다. 

그런데 흑연을 비롯한 탄소 음극재는 성능은 우수하지만 단위 질량당 부피가 크고 그래서 배터리 부피의 절반을 넘게 차지하는 문제점이 있다. 

반면 리튬메탈 음극재는 흑연보다 에너지 밀도 측면에서 경쟁력이 높다. 안정성이 낮아 액체 전해질을 탑재한 상황에서는 화재 폭발 위험이 커지지만 전고체 배터리에서는 위험도가 현저히 떨어지므로 리튬메탈 음극재야말로 용량, 출력, 수명, 안정성 측면에서 가장 완벽한 성능을 낼 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

게다가 전고체 배터리에서는 리튬메탈 음극재를 사용해 에너지 밀도를 높여야 할 필연성이 있다. 

액체 전해질은 전도성이 좋은 반면 고체 전해질은 먼 거리 침투에 불리하다. 흑연처럼 부피를 많이 차지하는 음극재보다는 리튬메탈처럼 부피가 작고 에너지 밀도가 높은 음극재를 써서 고체 전해질의 단점을 보완할 필요가 있다는 얘기다. 

국내 기업 중에는 포스코케미칼과 롯데케미칼이 음극재 사업을 준비하고 있다. 

포스코케미칼은 현재 국내에서 유일하게 음극재를 생산하는 곳이기도 하다. 천연흑연, 인조흑연, 실리콘 등으로 다양한 제품 라인업도 구성해 놓았다. 여기에 전고체 배터리용 리튬메탈 음극재 개발에도 속도를 내며 미래 먹거리까지 착실히 준비하고 있다.

그야말로 현재 돈이 되는 사업, 중기적으로 돈이 되는 사업, 장기적으로 가야할 길 모두를 준비하고 있는 셈이다. 

포스코케미칼은 내부의 에너지소재연구소, 포스코홀딩스의 미래기술연구원, 포항산업과학연구원과 협업을 통해 리튬메탈 음극재를 자체 개발하고 있고 2030년 상용화를 목표로 하고 있다. 

이와 별도로 원료, 양극재, 음극재 등 배터리와 관련해 총체적 밸류체인을 내재화하고 있다는 점은 국내 기업 가운데 단연 돋보이는 강점이기도 하다. 

롯데케미칼도 4월 미국 스타트업 소일렉트와 리튬메탈 음극재 및 고체 전해질 개발 업무협약 체결해 2025년까지 미국 현지에 기가와트급 리튬메탈 음극재 생산시설 구축하는 계획을 검토 중이다. 

롯데케미칼은 배터리 산업에 다소 늦게 뛰어들었지만 최근 속도를 내며 그룹 내 배터리 밸류체인 구성하고 있다. 

현재 음극재 시장은 중국이 장악하고 있다. 2021년 기준으로 중국은 세계 음극재 생산량의 95%를 차지한 것으로 확인됐다. 

배터리 뱉류체인에서 없어서는 안 될 음극재를 중국이 장악하고 있다는 점은 배터리 강국으로서 입지를 불안하게 할 수도 있는 요인이다.

게임체인저가 될 수 있는 리튬메탈 음극재 개발이 K-배터리의 위상을 위해서도 대단히 중요한 일인 이유다. 류근영 기자