[공학저널 전수진 기자] 이차전지는 초소형 전자기기부터 중대형 전기차, 에너지저장시스템(ESS)에 이르기까지 다양한 전자제품에 적용되며, 현대인의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있다. 이러한 기술은 편리함과 높은 성능 덕분에 다양한 신제품을 탄생시키며 필수 기술로 자리 잡았을 뿐 아니라, 탄소 중립과 기후 변화 대응의 핵심 기술로도 주목받고 있다. 하지만 최근 잇따른 화재 사고로 인해 안전성에 대한 우려가 커지고 있으며, 이를 해결하기 위한 새로운 기술개발이 활발히 진행 중이다.
특히 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터는 전기화학반응을 이용한 에너지 저장 기술, 특히 이차전지 분야를 중점적으로 연구하고 있다. 현재 널리 보급된 리튬이온전지는 초소형 기기부터 중대형 전기차, ESS까지 활용되고 있지만, 용량 한계, 화재 위험, 높은 비용, 리튬 자원 한정 등 여러 문제가 상존하고 있다.
이를 해결하기 위해 센터는 리튬이온전지를 대체할 차세대 기술을 개발하고 있으며, 화재 위험성을 근본적으로 제거할 전고체 전지와 나트륨이온전지, 아연·마그네슘 이온전지, 급속 충전을 위한 이차전지 기술, 새로운 이차전지용 공정 기술 등 다양한 연구를 진행 중이다.
에너지저장연구센터는 20년 이상 차세대 이차전지 연구를 이어오며 혁신적인 기술개발에 앞장서고 있다. 센터는 지난 2012년 기존 리튬이온전지를 안정성과 경제성을 겸비한 마그네슘 공기전지로 대체할 수 있는 기술을 개발해 주목받았다. 마그네슘 공기전지는 전기화학 반응 효율을 극대화하고 수명을 개선할 수 있는 전극 및 전해질 소재를 기반으로 하며, 특히 전기차에 이 기술을 직접 적용해 성공적으로 시연하며 실용 가능성을 입증했다.
이를 바탕으로 에너지저장연구센터는 안전성을 획기적으로 높일 수 있는 전고체 전지 기술개발에 주력하고 있다. 전고체 전지는 발화 위험이 높은 액체 전해질을 비발화성 고체 전해질로 대체하는 방식으로, 센터는 최근 성능이 우수한 신규 고체 전해질 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 기술은 2023년 국내 중견 기업에 기술이전됐으며, 현재 해당 기업에서 양산화를 위한 실험이 진행 중이다.
KIST 에너지저장연구센터 정훈기 센터장(사진)은 “에너지저장연구센터는 차세대 이차전지를 위한 지속적인 연구와 기술개발로 미래 에너지 산업의 핵심 기술을 선도하며, 차세대 에너지 저장장치의 상용화를 목표로 하고 있다”고 말했다.
이차전지 기술은 국내에서 새로운 성장동력으로 주목받으며 급격히 시장이 확대되는 추세다. 특히, 전기차 보급률이 전 세계적으로 증가함에 따라 이차전지 수요도 급증하며 관련 산업의 성장이 가속화되고 있다. 이에 따라 양극, 음극, 전해질, 분리막 같은 핵심 소재뿐만 아니라, 도전재, 바인더, 집전체 등의 비핵심 소재를 개발하는 기업들 역시 새로운 시장 돌파구를 찾고 있다.
에너지저장연구센터는 이러한 흐름 속에서 핵심 소재와 비핵심 소재 개발 기업들을 대상으로 기술 지원과 협력 연구를 진행 중이다. 센터는 실리콘을 활용한 신규 음극 소재 개발을 위해 국내 중견기업과 공동연구를 진행 중이며, 차세대 도전재로 주목받는 탄소나노튜브 활용 기술개발에도 협력하고 있다. 또한, 전고체 전지용 고체 전해질 소재와 외장재 개발 등 차세대 이차전지의 핵심 기술 확보를 목표로 다양한 연구를 추진 중이다.
이뿐만 아니라, 중소·중견기업이 보유한 기존 기술을 이차전지 산업에 적용할 수 있도록 기술 자문과 지원도 병행하고 있다. 센터는 기업이 보유한 우수 기술이 이차전지 시장에서 새로운 가능성을 열 수 있도록 돕고, 이차전지 산업의 전반적인 경쟁력 강화에 기여하고 있다.
정 센터장은 “KIST는 매년 ‘차세대 이차전지 민관협의체 및 성과 공유회’를 개최하며, 국내외 동향과 성과를 공유하고 있다. 이 자리에는 국내 기업, 연구소, 대학이 참여해 인력양성, 국제 협력, 기술개발을 논의한다”며 “현재 이차전지 시장은 전기차 보급 확대로 급성장 중이며, 관련 핵심 소재 및 비핵심 소재 기업들이 신시장 개척을 위해 분주하다. 센터는 이러한 기업들과 협력 연구를 통해 기술 지원과 자문을 제공하고 있다”고 설명했다.
향후 에너지저장연구센터는 꾸준히 진행해 온 전고체 전지와 나트륨 이온 전지 연구를 중심으로, 성능 향상과 상용화에 근접한 기술개발을 중점적으로 추진할 계획이다. 이와 함께 전기화학적 에너지 저장에 적용 가능한 새로운 원소 발굴, 소재와 셀의 구동 원리를 규명할 수 있는 실시간 고도 분석 기술 등 차세대 이차전지의 기초 및 원천 기술개발에 매진할 예정이다.
정 센터장은 “미래 이차전지 기술을 선제적으로 확보하고 글로벌 시장을 준비해야 세계 이차전지 기술 1등 국가로 자리매김할 수 있을 것”이라며 “특히, 미국, 일본, 중국 등 주요 경쟁국들도 차세대 이차전지 개발에 박차를 가하고 있는 상황에서, 산학연 협력과 지속적인 연구개발 지원을 통해 기술적 초격차를 확보하는 것이 중요하다”고 강조했다.
이에 따라 센터는 미래 응용 분야를 예측하고, 해당 분야의 핵심 요구 성능에 적합한 이차전지 솔루션을 제공하기 위해 노력하고 있다. 특히, 우주 항공, 인체 삽입형 기기 등 새로운 응용 분야에서는 기존 기술과 차원이 다른 혁신 기술이 요구됨에 따라 센터는 핵심 원리 규명과 신소재 발굴을 통해 상용화를 앞당기는 데 주력할 방침이다.
정 센터장은 “센터는 다양한 노력을 통해 글로벌 차세대 이차전지 시장에서 기술적 우위를 확보하고, 대한민국이 세계 이차전지 산업의 선두 주자로 도약할 수 있도록 기여할 계획”이라고 전했다.
