가까운 미래 성장동력...

 

들리는 정보에 따르면, 삼성이  거대한 규묘를  유지, 발전시킬, 미래성장산업 분야중 하나로, EV(전기자동차)와 ESS(에너지 Storage System)을 선정하고 많은 투자를 하고 있다고 한다. 삼성 SDI가 집중하고 있는  품목이 리튬폴리머 배터리와 ESS라는 것은 이미 알려진 사실이다.

 

아시다시피, 삼성은 반도체-가전-IT.통신기기를 통해 오늘날과 같은 위상에 이른 것이다. 하지만, 앞으로가 문제인 것이다.  매출 223조1천억원(2013년)에 달하는 기업군을  어떻게 지속적으로 성장시킬 것인가? 심각한 문제가 아닐 수 없다.  삼성정도가 되니 오죽 많은 투자며,  기라성같은 초일류 연구진들이 미래성장동력을 위해 엄청난 연구를 하지 않겠는가?  아마도, 무수히 많은 성장동력을 발굴하고 준비하고 있을 것이다. 世人들이 상상하지 못하는 아이템들이 깊숙히 연구되고 준비되어 '고도한 전략적 타이밍'으로 세상에 모습을 드러내며, 산업의 First Mover로서 삼성의 성장을 지속적으로 이끌 것을 의심치 않는다.

 

그중, 엿볼 수 있는 아이템이 위에 언급한 EV와 ESS인 것이다. 삼성뿐만아니라, EV와 ESS는 도요타, BMW, 벤츠 현대기아등 차량메이커,  LG, IBM, Google 등 세계 굴지의 이른바 위대한 기업들도 눈독을 들이고, 실제 직접적인 투자를 하고 있는 분야이다.

 

이를테면, IBM의  ' 500 Project '라는 게 있다.  '1회충전에 500miles'을 가는 배터리를 개발하는 프로젝트이다. 이것은 2008년 부터 2020 년까지 12년동안 이른바 '리튬-공기 배터리 개발' 을 추진 하는 것이다. IBM이 누구인가? 신화적인 컴퓨터메이커 아니였던가?. 컴퓨터뷴야에서,  영원히 거대한 공룡제국일 것 같았던 IBM이,  PC시대의 에측을 잘못하여,  2000년대 초 전후로 거의 망하기 일보직전에 이르렀다가, S/W업종위주로 전환하여 기사회생의 쓰라린 경험을 겪어온 회사 아닌가?   그 회사가 그런 아픈 경험을 교훈삼아 미래를 준비하는 사업중 하나가, 'ESS'라는 것을 말해준다. 그것도 전기 자동차용 ESS.

 

오래전부터, '자동차는 전자제품' 이라 불리었다. 이는 구성부품 수나, 가격적으로 전자부분이 차지하는 비중이 50%를 넘어섰다는 의미이다.  더구나 EV시대가 되면, 동력장치, 에너지 저장장치, 통신 운전, 충전뿐만아니라 스마트 그리드나,  운용에서 스마트 기능까지 접목되어 전자비중이 더욱 높아질 것이고, 이런 상황이 도래하면, 삼성, LG, Google등 전기.전자나 통신, 제어, 에너지등으로 밥먹고 사는 기업들이 주도권을 쉽게 잡을 수 있는 것이다.

 

그래서, 기존의 차량메이커들은, 치밀한 전략과 연구를 통해 EV시대에도  주도권을 뺏기지 않기에 사력을 다해오고 있있던 것이다.

 

EV시대 도래가 늦어지는 것은 '1회충전으로 주행할 수 있는 거리 한계', '충전 소요시간', '충전인프라', '가격' 등의 이유를 들고 있지만, 사실 이런 부분은 차량메이커들이 적극 나서면, 용도 제한적으로  조기에 활성화할 수 있는 여지가 충분하다. BMW가 치밀한 준비끝에 차체부터 EV전용으로 개발하여, 작년 말 부터 시장에 내놓아 주목받고 있는 것이 그 한 예이다. 하지만, 차량메이커들이, 제대로 준비하지 않은 상태에서, EV비중을 높힐수록, 쉽게 전자회사들에게 휘둘리게 될 것은 불을 보듯 뻔하다. 해서,메이커들이  애써 EV시대를 스스로 주도할 이유가 없었던 것이다, 그러니 나름대로 주도권을 확립할 수 있을 때까지, EV시대 도래의 지연되는 것은 그런 전략의 결과라 감히 말할 수 있는 것이다. 

 

차량 메이커들이, EV를 시장에 내놓기 시작하는 것은 나름대로 주도권을 전자회사들에게 뺏기지 않고 유지할 수 있는 방책이 확립되었다는 것을 뜻한다. 거기에는 설계, 제조기술 ,운용기술, 가격뿐만아니라 다양화고, 지속적인 상품화 속도경쟁을 장기간 지속할 준비와 능력을 갖추는 것을 포함한다.

 

하지만, 삼성, LG, Google등이 준비는 철저히 해오면서, 바로 EV시장에 뛰어들지 못하는 것은 아직은 시장이 활성화 되지 않고, 충분한 인프라가 없고, 차량제조기반이 없는 상태에서, 기존의 차량메이커들과 경쟁하며, 엄청난 투자를 감수하면서 뛰어들기 주저스럽기 때문이다. 

 

하지만, 이제 분위기가 많이 달라져가고 있다. 모든 문제의 핵심이던 '리튬이온배터리의 1회충전으로 주행할 수 있는 거리'도 많이 늘어 났다. 기존의 리툼이온배터리분야에서도, 리튬에 탄소나노튜브나 그래핀을 코팅하여 에너지 저장능력을 2배이상 확대시키는 기술이 발표되고 있다, 특히,  금속-공기 그중 '리튬-공기 배터리기술' 이 진전을 이루면서, 향후 10년-15년 내외에 1회 충전에 800km ~1,000km주행할 수 있는 배터리 개발이 완료되리라 한다.

 

리튬공기배터리는 음극에 리튬, 양극에 공기(산소)를 공급하여, 충전으로 리튬의 산화가 일어나며 전기를 얻어 저장하고, 사용(방전)을 통해 환원이 일아나는 원리인데, 

 

리튬-공기전지의 Anode/Electrolyte 및 Cathode/Electrolyte

계면에서의 충반전 반응 메카니즘 모식도

(Source : G. Girishkumar et al., J. Phys. Chem. Lett. 1 (2010) 2193)

 

리튬-공기 전지의 심각한 문제점 중 하나는 고형 반응물 즉 산화리튬(Li2O 혹은 Li2O2)이 유기 전해질에서 용해되지 않기 때문에 방전 과정에서 공기전극을 막아 버리는 것이다. 만약 공기 전극이 완전히 막히면, 대기의 산소는 더 이상 환원되지 않는다고 한다.이 때문에,  충.방전사이클을 오래할 수 없는 치명적 사이클 수명문제가 있는 것으로 알려져 있다. 충.방전 사이클이 500회이상 즉 대략 1회충전 주행거리 1,000km x 500회= 500,000km 정도는 주행이 가능해야  하는 데, 현재 50-80회정도가 최고수준으로 알려져 있다.

 

이를 해결하기 위한 연구가 범세계적으로 추진되고 있는 것이고, 최근의 기술전망에 따르면 그 개발완료시점 즉, 그런 문제를 해결되어 명실상부한 EV에 장착, 사용될 수 있는 싯점이 2025년  전후가 되리라는 것이다. 충전시간 단축, 충전인프라도 그때까지는 상당한 수준으로 구축될 것이다. 최근 E-Mart가 주차장에 EV용 충전기를 설치하겠다고 발표한 적이 있다. 일단 1회 충전으로 주행할 수 있는 배터리가 개발되면 다른 여타문제는 순식간에 해결될 것이다.

 

ESS는 최근의 대정전으로 인한 비상용 전원으로 주목을 받은 바 있다. 의료기기, 정밀전자기기, IT기기등의 비상전원뿐만아니라, 발전효율이 낮은 태양광, 풍력등 이른바 신재생에너지로 발전한 전기에너지를 저장하여 지속적으로 안정되게 공급할 수 있는 ESS는, 지금 처럼 화력, 원자력등으로 발전, 송전, 분.배전하는 전력공급체계의 단점을 보완하고, 그 자체만으로 스마트그리드를 통해 또는 단독으로라도, 획기적으로 전기저장 및 공급을 담당할 수 있는 장치인 것이다.

 

때문에, 현재의 스마트폰이 생활의 패턴을 바꾸어 왔듯이, 2025년 전후로 산업, 생활전반에서 EV/ESS를 기반으로 혁신되는 轉期를 맞을 것이다. 하루아침에 천지개벽처럼 일어나는 것은 아니라해도, 전자시대, 스마트폰 시대를 거쳐오면서 경험해 왔듯이, 어쩌면 그 수십, 수백배에 이르도록, 이후 수년~십수년안에  산업체의 부침이 극심해지고, 변화가 도래할 것이고, 문명의 패러다임이 송두리째 변화게 될 것으로 전망한다. 전자.통신. 신소재, 제어와 결합내지는 융합한 EV와 ESS의 파괴력은 상상을 넘어설 것이기 때문이다.

 

앞서의 리튬공기배터리의 문제는 문제대로 해결하기 위한 연구가 부단히 이루어지지만, 그외, 리튬공기배터리와 유사한 원리인  아연-공기배터리, 알류미늄-공기배터리나  리튬-황 배터리, 흐름전지등도 병행하여 연구개발이 활발하다.

 

에너지 저장장치는 납축배터리->Ni-MN배터리->리튬이온배터리/리튬폴리머배터리로 발전되면서 대략 20~30년 주기로 기술제안부터 실용화가 이루어져 왔다.리튬공기배터리의 본격연구를 시작한 것이 1990대이니, 이런 추세대로라면 2020년~2030년 사이에 뭔가 실용화가 될 법도 하지 않겠는가?

 

 

여기, 여기 리튬공기 개발관련 두 기사를 소개한다.

 

 

 

 

1. '차세대 고용량 전지인 '리튬공기 이차전지'의 핵심기술을 개발'

 

출처: (대전=연합뉴스), 사입력 2013-09-05 09:51

 

박주영 기자 = KAIST(한국과학기술원)는 신소재공학과 김일두·전석우 교수와 경기대학교 신소재공학과 박용준 교수 공동연구팀이 전기차 등에 쓰이는 차세대 고용량 전지인 '리튬공기 이차전지'의 핵심기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 나노섬유 그래핀 복합촉매를 이용해 기존 리튬이온 이차전지보다 5배 높은 리튬공기 이차전지를 만드는 데 성공했다. 음극과 양극 재료가 각각 흑연, 리튬전이금속산화물로 된 리튬이온 이차전지는 휴대전화와 노트북 등에 주로 사용된다. 전기차용으로도 검토되고 있지만 한 번 충전에 160㎞ 정도밖에 주행할 수 없어 용량이 충분하지 않다는 문제가 있다. 연구팀이 개발한 '리튬공기 이차전지'는 음극과 양극 재료로 각각 리튬과 산소를 사용하는데 무게가 가벼우면서도 얻을 수 있는 에너지 밀도는 리튬이온 이차전지보다 높아 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 하지만 방전시 리튬과 산소가 만나 리튬산화물이 형성된 뒤 충천을 해도 쉽게 분해되지 않아 높은 저항이 발생하며, 수명이 짧아 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 리튬산화물의 형성과 분해 반응을 수월하게 해주는 고효율 나노 복합촉매를 개발, 리튬공기 이차전지의 양극에 적용했다. 그 결과 리튬이온 이차전지 용량의 5배에 달하는 1천mAh/g 이상의 고용량에서도 80차례 이상 충·방전이 가능해지는 등 우수한 수명 특성을 보였다. 이는 현재까지 보고된 성능 중 가장 높은 수준이라고 연구팀은 전했다.

상용화에 성공해 전기차에 적용하면 한 번 충전에 800㎞ 이상 주행할 수 있어 서울과 부산을 왕복하는 것도 가능해질 것으로 기대된다. 김일두 교수는 "나노 복합촉매는 대량생산이 가능한 금속 산화물과 그래핀을 소재로 활용했기 때문에 저렴한 비용으로 제작이 가능하다"면서 "여러 기관과 연구 협력해 전기차 시대를 앞당기도록 노력하겠다"고 말했다. 이번 연구 결과는 나노 분야 권위 있는 학술지 '나노레터스(Nano Letters)' 지난달 8일자 온라인판에 실렸다. '리튬-공기전지 EV 채용시기전망

 

2. '리튬-공기배터리의 채용시기'

 

출처: 에너지경제신문 2012.12.10 (월) 

 

금속-공기전지의 세계시장 규모는 2012년 3530억 원에서 2025년에는 5360억 원으로 확대될 전망이다. 그 중 금속-공기 2차전지는 2025년경부터 EV 등 자동차용을 중심으로 784억 원 시장이 형성할 것으로 예측됐다. 야노경제연구소는 ‘2012년판 차세대 2차전지의 현상과 전망‘에서 이와 같이 밝혔다

실용화가 다소 지연되고 있는 금속-공기 2차 전지와 달리 금속-공기 1차 전지는 일찍부터 실용화됐다. 대표적으로 음극으로 아연을 사용한 공기-아연전지가 보청기용 전원으로 세계시장에서 활발하게 채용되고 있다. 여기에 2012~2013년에는 새로운 리튬-공기 1차 전지가 상용화될 예정이어서 특수용도에 사용되는 대형 리튬 1차 전지를 대체할 것으로 기대되고 있다.

금속-공기 2차 전지는 실용화까지 시간이 소요될 것으로 보인다. 1960년대부터 일본기업을 중심으로 연구개발이 추진돼 EV 탑재용 대형 샘플이 제작되기도 했으나 충방전을 반복하면 아연 음극에 Dendrite(수지상정) 아연이 석출돼 전지기능을 방해하는 치명적인 결함이 발견됐다.

해결책으로 방전 후에 새로운 아연극을 공급해 기계적으로 충전하는 ‘Mechanical Charge’ 방식이나, 전해액을 순환시켜 아연음극의 수명을 연장시키는 ‘전해액 순환방식’ 등의 대안이 나왔다. 90년대 이후 리튬-공기2차전지(Lithium-Air Battery=LAB)에 대한 연구개발이 활발하게 이루어지면서 현재에 이르고 있다.

최근 주목받는 연구동향은 IBM의 LAB 프로젝트. 이 프로젝트가 순조롭게 진행되면 장기적으로 EV에 대한 채용이 예상된다. IBM은 2009년부터 ‘Battery 500 Project’를 통해 항속거리 500마일(800km)의 패밀리용 EV 탑재를 목표로 LAB 개발을 추진하고 있다. 이 개발이 성공하면 2020년 초 양산제품이 등장해 2025년경 이후에는 EV에 대한 채용이 본격화할 것으로 예상되고 있다.

차세대 2차전지에는 대표적으로 전고체리튬이온전지, 금속-공기전지, 유기 2차전, 레독스플로우전지, 나트륨유황전지 등이 있다.

이 중 금속-공기전지는 음극활물질로 금속리튬을, 양극활물질로는 공기 중의 산소를 사용한 것으로, 이론상의 에너지밀도가 LIB의 15배 이상에 달하는 궁극의 2차전지로 불리고 있다. EV에 탑재하면 주행거리가 가솔린자동차 수준으로 늘어날 가능성이 있어 상용화에 대한 기대감이 높아지고 있다.