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▲ KERI 전지연구센터 이상민 센터장이 얇게 만들어진 리튬금속 이차전지를 들고 포즈를 취하고 있다

과학기술정보통신부 산하 전기전문 연구기관인 한국전기연구원(KERI, 원장 최규하)이 차세대 이차전지 연구를 통해 친환경 전기자동차의 보급을 앞당길 거대 국가연구개발사업을 이끌게 됐다. 

정부추진 ‘거대과학연구개발사업’의 ‘기후변화대응기술개발사업’의 일환으로 진행되는 해당 연구 과제명은 ‘전기자동차용 차세대 리튬금속 이차전지 핵심원천 기술 개발’이다. 한국전기연구원(이하 KERI) 주관으로 한국생산기술연구원, 한국과학기술원, 전자부품연구원이 협동 연구기관으로 참여한다. 총괄 연구 책임은 KERI 전지연구센터 이상민 센터장이 맡는다. 총 55개월(2018.7.27~2023.2.26)동안 진행되며 연구개발비 약 243억원이 투자되는 대형 프로젝트다. 

현재 상용화된 리튬이온전지는 음극재로 ‘흑연’이 사용된다. 양극재·분리막·전해질 등과 함께 리튬이온전지를 구성하는 핵심 부품으로 꼽히는 음극재는 충전 시 리튬이온을 저장해뒀다가 이를 방출함으로써 전기를 발생시키는 역할을 한다. 

흑연 전극은 사이클 수명이 우수하고 음극활물질이 지녀야 할 조건인 안정성과 낮은 전자 화학 반응성 등을 갖춘 재료로 손꼽히지만, 용량이 작아 충·방전 효율이 떨어지는 문제를 가지고 있다. 또한 전 세계 흑연의 약 70%가 중국에서 생산될 정도로 수입에 의존하고 있는 현실이다. 

흑연을 대체하기 위한 ‘리튬금속’은 리튬이온전지의 에너지 용량을 끌어올릴 차세대 음극 물질로 주목받는다. 음극 물질 중에서 구동 전압이 가장 낮고, 흑연 음극보다 용량이 10배 정도 우수하다. 

이미 일본과 미국 등 이차전지 선진국에서는 리튬금속 음극을 기반으로 하는 차세대 이자전지 개발을 위해 정부 주도로 거액의 연구비를 투자하며 기술선점을 노리고 있다. 미국에서는 2016년부터 총 5천만 불(약 560억) 규모로 ‘Battery 500’ 과제를 수행하고 있으며, 일본에서도 올해 자동차 및 전지 업체가 공동으로 모여 차세대 리튬전고체 전지개발을 수행하고 있다. 

우리나라에서도 그동안 리튬금속을 오랫동안 적용하기 위한 연구시도가 있었지만, 그 규모가 작았고 안전성과 장기 신뢰성을 확보하는 데 많은 어려움을 겪어왔다. 하지만 이번 정부 주도 대형 연구 프로젝트를 통해 기존 리튬이온전지의 성능 한계를 뛰어넘는 고효율·고성능 차세대 이차전지의 개발이 가능하게 됐다. 

연구 책임자인 KERI 이상민 센터장은 “리튬금속 원천기술개발은 파급력이 큰 만큼 기술적 난이도가 매우 큰 기술”이라며 “국내 최고 전문가들과 협심해 기술적 난제를 극복하고 성공적인 과제 수행을 이끌겠다”고 밝혔다. 

연구팀은 이번 연구 프로젝트가 성공적으로 마무리되면 리튬이차전지를 동력으로 활용하는 친환경 전기차의 성능 향상 및 안정성 확보, 가격경쟁력 강화에 기여할 것으로 보고 있다. 또한 전 세계적 기후변화협약에 따른 온실가스 감축에 효과적으로 대응하는 한편 다가오는 4차산업 혁명의 중심인 전기차의 조기 대중화를 이끌 것으로 기대하고 있다.