삼성전자의 '갤럭시노트7'

지난해 하반기 전 세계적으로 논란이 된 삼성전자 '갤럭시노트7' 발화 원인이 배터리 결함으로 발표되면서 문제가 된 리튬이온전지와 함께 차세대 전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 리튬이온전지보다 상대적으로 안정적인 차세대 전지 개발이 주목받고 있지만, 양산에는 7~10년이 소요될 것으로 보인다. 이에 따라 기업들은 리튬이온전지 품질 관리를 강화하면서 차세대 기술 개발을 병행할 것으로 전망된다.

고동진 삼성전자 무선사업부 사장은 23일 오전 삼성전자 서초사옥에서 열린 갤럭시노트7 발화원인 조사결과를 발표하는 자리에서 "갤럭시노트7 소손(불에 타서 부서짐)의 원인은 배터리 자체 결함으로 최종 분석됐다"고 말했다.

삼성전자 발표에 따르면, 삼성SDI가 공급한 리튬이온 배터리는 젤리롤 우측 상단 코너에서 발화 현상이 공통적으로 나타났으며 배터리를 채용한 제품 발화 주요 원인은 음극판의 눌림 현상이고 음극 코팅부 끝단의 잘못된 위치 등 일부 추가요인도 있었던 것으로 밝혔다. 

또 다른 배터리 공급사인 중국 ATL의 리튬이온 배터리는 양극핵과 접하는 음극판에서 구리선이 녹는 현상이 일어났고 이 부위에서 발화가 시작된 것으로 분석됐다. 한 마디로 삼성전자가 잘못 만든 배터리를 갤럭시노트7에 넣었다는 것이다.

대안의 전지 기술 장단점 뚜렷

이번에 문제가 된 리튬이온전지는 충전이 가능한 2차 전지의 대표주자다. 작고 가벼우면서도 전압이 같은 크기 일반 전지의 2~3배 수준에 달하는 장점을 앞세워 노트북, 스마트폰 등의 전지로 채택됐으며 각종 기기가 더 가벼워지고 얇아지는데 크게 기여했다. 

하지만 액체 또는 겔 타입 전해질을 쓰는 리튬이온전지는 태생적으로 낮은 내충격성 등의 단점을 갖고 있다. 이에 따라 리튬이온전지 개발, 생산업체와 이를 책택하는 기업들은 안전성 확보에 심혈을 기울이고 있다. 그런데 이번에는 허점을 드러낸 것이다.

리튬이온전지는 또 성능면에서도 기술적 한계가 다가오고 있다는 지적을 받고 있다. LG경제연구원이 최근 공개한 ‘개발 경쟁 가속되는 차세대 2차 전지’ 보고서에 따르면, 보쉬 등은 향후 5~7년 안에 리튬이온전지의 용량이 한계에 도달할 것으로 예측하고 있다.

이에 따라 리튬이온전지보다 안정적인 차세대 전지 기술들이 개발되고 있지만, 양산에는 상당한 시간이 걸릴 전망이다.

LG경제연구원과 전문가 등에 따르면, 차세대 전지로는 리튬-황전지, 리튬-공기전지, 나트륨/마그네슘이온 전지, 전고체전지 등이 손꼽히고 있다.

[자료: LG경제연구원 ‘개발 경쟁 가속되는 차세대 2차 전지’ 보고서]

리튬-황 전지는 양극재와 음극재로 각각 리튬과 황을 사용해 리튬이온전지보다 3배 이상 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있으며 저렴한 황을 사용하기 때문에 제조원가를 낮출 수 있다. 반면 지속적인 충전과 방전 시 양극재의 감소로 수명이 저하되고 황에 의해 제조설비가 부식되는 단점이 있다.

리튬-황 전지 기술은 전자부품연구원이 지난해 3월 발표한 ‘2016년 18가지 핵심기술에 포함됐다. 또 지난해 5월 포항공대 화학과 연구팀이 기존 리튬이온 전지에 대비 4배 용량의 고성능 리튬-황 전지 제작기술을 발표했다. 한국과학기술연구원 연구팀도 지난해 에너지 밀도가 kg당 150Wh인 리튬-황 전지 개발에 성공했다고 밝힌 바 있다.

리튬-공기전지는 양극재로 공기(산소), 음극재로 리튬을 이용하는 2차 전지로, 구조가 단순하고 이론적으로 리튬이온전지보다 5~10배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 이에 따라 에너지 저장 용량을 대폭 늘릴 수 있는 동시에 리튬이온전지보다 싸고 가볍게 만들 수 있다. 리튬 대신 아연, 알루미늄 등 다른 금속을 사용할 수도 있다. 다만 고순도 산소를 확보하고 이를 활용하기 위한 추가적인 장치가 필요하다. 금속공기전지는 관련 기술 특허출원이 2006년 4건에서 2015년 86건으로 크게 늘어나는 등 지속적으로 연구가 활발지고 있다.

나트륨/마그네슘 이온 전지는 리튬 대신 나트륨이나 마그네슘을 음극재로 사용해 전지의 안전성을 확보하면서 값싼 원재료를 사용할 수 있다. 다만 새로운 금속이온을 활용하기 때문에 안전성과 성능의 신뢰성이 충분히 쌓이지 않은 것이 단점이다.

발화 위험 줄인 고체 전해질 전지 부상

전고체전지는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것으로 기존 리튬이온전지의 액체 전해질이 가진 발화, 폭발 등의 위험성을 상당히 낮출 수 있다. 전고체전지는 외부 충격에 의해 기기가 파손돼도 전해질의 누액이나 폭발의 위험성을 줄일 수 있고 고온이나 고전압 환경에서도 전지의 성능 저하를 막을 수 있다.

지난해 3월 일본 아사히신문에 따르면, 간노 료지 도쿄공대 교수와 도요타자동차, 고에너지가속기연구기구 공동연구팀이 충전시간이 짧고 소형화가 가능한 '전고체형 세라믹전지'를 개발했다고 발표한 바 있다. 최근 LG경제연구원 보고서는 전고체전지를 차세대 전지의 가장 유력한 후보로 꼽기도 했다.

하지만 차세대 전지가 실제 제품에 담겨 판매되고 널리 쓰이기까지는 7~10년 이상의 시간이 소요될 전망이다. 기술 안정성 확보에 수년이 걸리고 기술이 완성돼도 다시 양산체계를 구축하는데 또 수년이 필요하기 떄문이다.

유신재 SNE리서치 상무는 “10년 이내에 상용화될 제품이 안 보인다”며 “지금 양산을 준비해도 실제 양산까지 3~5년 정도 시간이 걸리는데 현재 양산을 준비하는 제품이 없다. 기술마다 수명, 용량 문제 등이 있고 이를 해결하고 양산을 하는데 시간이 걸릴 것”이라고 전망했다.

차세대 기술 개발, 리튬이온 안정화 병행

최정덕 LG경제연구원 연구위원은 “전고체전지 등 차세대 전지 기술이 완성되고 시제품이 나오는 것은 2020년이 돼야 할 것”이라며 “이후 검증과 양산에 4~5년이 소요돼 빠르면 2023~2024년에나 차세대 전지 제품이 나올 것”이라고 말했다.

그는 또 “차세대 전지가 상용화돼도 생산단가와 가격경쟁력을 고려할 때 초기에는 일부 제품에만 쓰일 수 있다”고 덧붙였다.

이에 따라 배터리의 중요성을 인식한 삼성전자 등 전자업체들과 배터리 제조업체들은 당분간 기존 리튬이온전지의 안정적인 사용을 도모하며 차세대 기술 개발을 병행할 것으로 보인다.

[테크M = 강진규, 도강호 기자(viper@techm.kr)]