국가전략기술 이차전지 소재 기술 동향②

황화물계 고체 전해질은 공기 및 수분에 민감하여 산화물과 황화수소 발생 가능성이 있으며 계면 불균일과 저항 증가로 배터리 성능 저하가 나타난다. 이를 개선하기 위해 국내에서는 ZnO–LTaO 계열 코팅, 초고속 마이크로파 가열법, 화학기상증착 기반 고분자 코팅 등을 적용하고 있다. 국외에서는 초소수성 보호층, 원자층 증착(ALD) 및 실시간 전기화학적 중합을 통한 계면 보호 기술이 보고되어 계면 안정성과 전도성 개선에 기여하고 있다.

산화물계 고체 전해질은 낮은 이온 전도도와 고온 소결 공정의 필요성으로 제작 한계가 존재하나 국내에서는 볼 밀링과 2단계 소결을 통한 고밀도화, 질화 타이타늄 나노튜브 기반 음극 도입 등을 통해 이온 전도도를 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 국외에서는 소결 공정 최적화, 도핑, 계면 코팅, 초고속 소결법 적용으로 결정성, 구조 치밀화 및 전도도 향상을 달성하며 실리콘 도핑과 유기-무기 하이브리드 고체 전해질 형성으로 계면 접촉 문제를 해결하고 있다.

고분자계 고체 전해질은 온도 상승 시 이온 전도성은 증가하지만 기계적 안정성은 저하되는 특성을 갖는다. 이에 국내에서는 난연성 유기 이온성 플라스틱 결정, 탄성체 기반 3차원 구조, 수평 원심 주조 방식을 통해 기계적 강도와 전기화학적 특성을 동시에 개선하고 있다. 국외에서는 세라믹 필러 결합, 고분자·산화물 샌드위치 구조, PBO 나노섬유 및 PEO 기반 이온 전도 네트워크 설계, DMMP 첨가제 도입을 통해 이온 전도성과 기계적 강도를 동시에 향상시키는 연구가 보고됐다.

이처럼 국내외 연구 동향은 양극과 음극, 액상 및 고체 전해질 전 영역에서 소재 구조 최적화, 표면 처리, 도핑, 계면 엔지니어링 기술을 통해 이차전지의 에너지 밀도, 안전성, 수명, 고속 충전 성능을 동시에 개선하는 방향으로 집중되고 있다.

국내 정책 동향을 살펴보면 2030 이차전지 산업 발전 전략 추진 과제에 따라 민관 대규모 R&D 추진, 안정적 공급망 기반의 생태계 조성, 공급·민간 수요시장 창출 등이 진행되고 있다. 글로벌 이차전지 기술 경쟁이 본격화됨에 따라 초격차 기술력 확보는 시장 주도의 핵심 선결 과제로 부상하고 있다. 2030년까지 민간 부문에서 총 40.6조원 투자할 예정이며 정부는 대규모 R&D 예비타당성 조사 등을 통해 기술 선점을 위한 정책적 지원을 확대할 전망이다.

세계 시장 진출을 위한 첨단 기술 확보와 초기 제품화의 글로벌 거점을 국내에 구축하기 위해 자생적이고 견고한 산업 생태계 조성이 필수 시 되어 이차전지 공급망 체계 구축, 소부장 핵심 기업 육성, 전문 인력 양성, 제도 기반 정비를 통해 연대와 협력 중심의 생태계를 강화한다.

또한 IT, 전기차, 에너지저장장치 외에도 사물배터리 시대의 도래로 이차전지 활용 영역이 확대되며 신규 수요 시장 창출을 통해 산업의 외연을 확장하고 다양한 응용처에서의 수요 기반 확보를 통해 산업 주도권을 강화할 수 있다.

과학기술정보통신부에서는 탄소중립혁신기술개발 신규 예비타당성 사업 내 한계돌파형 이차전지 미래원천기술연구 한계돌파형 4대 차세대 이차전지 핵심 원천기술 개발을 추진하고 있다.

산업통상자원부에서는 친환경 모빌리티용 고성능 차세대 배터리 기술개발 사업, 고성능 차세대 이차전지 기술개발 신규 예타, 차세대전지 상용화 지원센터 구축을 진행하고 있다.

환경부에서는 사용후 이차전지 시장 활성화, 전기 굴착기 보급사업, 전기이륜차 배터리 교환형 충전인프라 구축사업에 힘쓰고 있다.

국외의 경우, 미국에서는 National Blueprint for Lithium batteries 정책을 발표해 미국 내 리튬이온 전지 사업의 육성을 위해 ▲원자재 확보 및 처리 능력 강화 ▲국내 생산 역량 확대 ▲첨단 배터리 기술 혁신 ▲배터리 재사용 및 재활용 시스템 구축 ▲교육 및 인력 개발 등 5개의 주요 목쵸를 포함한 청사진을 발표했다.

일본에서는 그린 이노베이션 기금 사업을 통해 에너지 및 산업 부문의 구조 전환과 혁신을 촉진하고 중국에서는 중국제조 2025를 발표하며 10대 중점영역에 에너지 절약과 신에너지 자동차산업을 포함해 이차전지 등 핵심적인 부품부터 완성차까지 전략적으로 투자한다. 유럽은 Battery 2030+ 정책을 내세워 배터리 R&D 분야의 유럽 내 범부문간 대형 연구를 통해 유럽 배터리 산업에 친환경적이면서 안전하고 지속가능한 배터리 관련 실용적인 연구성과를 제공한다.