[김정훈의 자원이야기] 차세대 2차전지 주역은 누구?...5가지 유력 후보 톺아보기

전고체, 리튬-황, 리튬-공기, 나트륨 이온, 다가이온 등 거론

[사진=클립아트코리아]

차세대 2차전지 기술은 기존 에너지 패러다임의 변화를 이끌 잠재력을 가지고 있다. 글로벌 탄소중립 목표에 따라 전기차와 에너지 저장 장치에 대한 수요가 급증하면서, 효율적이고 안전한 2차전지 기술의 중요성이 부각되고 있다. 리튬이온 전지가 오랫동안 시장을 지배해왔지만, 이론적 한계에 도달하면서 더 높은 성능과 안전성을 요구하는 목소리가 커지고 있다. 이에 따라 어떤 차세대 전지 기술이 미래 시장을 주도할 가능성이 있는지 살펴봤다.

리튬이온 전지는 전기차와 스마트폰 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 해왔으나, 성능 향상이 더 이상 기대하기 어려운 단계에 접어들었다. 시장은 긴 배터리 수명, 빠른 충전 시간, 안전성 강화를 요구하고 있으며, 특히 전기차의 주행 거리와 스마트폰 배터리 수명에 대한 기대가 커지고 있다.

이에 자연스럽게 리튬이온 전지를 대체할 차세대 기술에 이목이 쏠리고 있다. 차세대 2차전지 기술은 기존 리튬이온 전지보다 더 큰 용량, 빠른 충전·방전 속도, 높은 안전성, 긴 수명을 요구한다. 예를 들어, 전기차는 한 번 충전으로 더 먼 거리를 주행하고 충전 시간을 단축해야 하며, 가속 성능을 향상시키고 배터리 화재 및 폭발 위험을 줄여야 한다.

차세대 기술로는 △전고체 전지 △리튬-황 전지 △리튬-공기 전지 △나트륨 이온 전지 △다가이온 전지가 꼽힌다. 우선 전고체 전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공하지만, 제조 비용이 큰 걸림돌로 남아 있다. 이 기술에 대한 대규모 투자가 일본과 한국을 중심으로 진행되고 있으며, 2030년 상용화가 기대되고 있다.

리튬-황 전지는 황을 양극 물질로 사용하는 기술로, 리튬이온 전지보다 더 큰 용량을 제공할 수 있다. 그러나 덴드라이트 형성 문제(리튬 금속이 전극 표면에 비정상적으로 성장하는 현상)로 상용화가 지연되고 있으며, 이를 해결하는 것이 관건이다. 이 기술은 항공우주 및 고성능 배터리 분야에서 특히 주목받고 있다.

금속-공기 전지는 금속을 음극으로, 공기를 양극으로 사용하는 기술로, 공기의 산소를 연료로 활용해 전력을 생산하는 특성 때문에 연료전지와 유사한 성격을 지니고 있다. 특히 리튬을 음극으로 사용할 때 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어, 장기적으로 전기차와 같은 대형 에너지저장장치에 적합할 것으로 기대된다.

나트륨 이온 전지는 리튬 대신 저렴하고 풍부한 나트륨을 사용하는 기술로, 전고체 전지와 함께 실용화 가능성이 높은 후보 중 하나다. 리튬이온 전지보다 에너지 밀도는 낮지만, 수명 성능이 더 우수하다는 특징이 있다. 또한 나트륨의 풍부함과 저비용이 경제적 이점을 제공할 것으로 예상된다.

다가이온 전지는 칼륨, 마그네슘 등 다가이온을 사용하는 기술로, 리튬이온 전지보다 2~3배 더 큰 용량을 제공할 가능성을 지니고 있다. 다가이온은 한 번에 여러 개의 전하를 운반할 수 있어 더 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있는 잠재력이 크다. 이 기술이 상용화된다면 전기차와 같은 대형 배터리 시장에서 큰 변화를 가져올 수 있다.

업계 관계자는 "차세대 2차전지 기술이 상용화될 경우, 에너지 시장의 혁신과 함께 전기차와 스마트폰 등 다양한 산업에 큰 변화를 가져올 것"이라며 "상용화 시기는 불확실하지만 기술 발전과 시장 변화에 따라 빠르게 상용화될 가능성이 높다. 성공의 열쇠는 기술적 단점을 극복하고 경제성을 확보하는 것"이라고 설명했다.