KERI 전지연구센터 이상민 센터장

한국전기연구원이 차세대 이차전지 연구를 통해 친환경 전기자동차의 보급을 앞당길 거대 국가연구개발사업을 이끈다.
KERI는 정부추진 ‘기후변화대응기술개발사업’ 일환으로 진행되는 ‘전기자동차용 차세대 리튬금속 이차전지 핵심원천 기술 개발’ 연구과제 주관기관으로 선정됐다. 총괄 연구 책임은 KERI 전지연구센터 이상민 센터장이 맡는다. 한국생산기술연구원, 한국과학기술원, 전자부품연구원이 협동 연구기관으로 참여한다. 오는 2023년 2월까지 총 55개월 동안 진행되며 연구개발비 약 243억이 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”이라 밝히며 “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.

이상민 총괄 연구책임자와의 일문일답

▲ 선정된 과제 기술은 어떤 기술인가?
=현재 상용화 되는 리튬이온전지는 미래 신시장 창출(4차산업 대응 및 전기자동차 산업의 대중화)의 한계가 있습니다. 따라서 전 세계적으로 전기자동차의 성능, 가격, 안전성 등 한계를 돌파할 수 있는 고효율 고성능의 차세대 이차전지에 관심이 높아지고 투자가 확대되고 있습니다. 이러한 추세에 따라 개발되고 있는 차세대 전지(리튬금속이온전지, 리튬전고체전지, 리튬-황, 리튬-공기)의 공통 핵심기술인 ‘리튬금속음극 원천기술’의 확보가 절실하게 요구되고 있습니다.
▲ 기존 기술과의 차이점은?
=기존 흑연 소재를 음극 소재로 적용한 리튬이온전지의 기술은 더 이상의 에너지밀도 증가를 기대하기 어렵습니다. 하지만 이번에 진행하게 될 기술은 고에너지 밀도화를 위해 기존 음극 소재인 흑연 대신 리튬금속을 음극 소재로 적용하고자 하는 과제입니다. 하지만 리튬금속을 오랫동안 적용하기 위한 연구시도가 있었지만 아직까지 안전성과 장기 신뢰성을 확보하는 데 실패를 거듭해 왔습니다. 이를 해결하고자 본 연구에서는 지금까지 시도되지 않았던 새로운 기술을 적용하여 고에너지밀도(430Wh/kg)의 리튬금속 이차전지를 개발하고자 합니다.
▲ 이번 사업 선정이 가지는 의미
=크게 두 가지의 의미가 있습니다.
첫째, 일본 및 미국 등의 이차전지 선진국에서는 이미 리튬금속 음극을 기반으로 하는 차세대 이차전지 개발을 정부 주도로 거액의 연구비를 투자하는 등 기술선점을 위해 노력하고 있습니다. 이번 사업은 더 늦기 전에 우리나라에서도 선진국에 뒤처지지 않는 연구를 시작했다는 점에서 큰 의의가 있습니다.
둘째, 기존 리튬이온전지의 성능 한계를 뛰어넘는 다양한 차세대 이차전지의 개발이 진행되고 있었지만, 이러한 기술의 공통 핵심기술인 리튬금속의 ‘안정화’를 위한 기술 확보가 필요했습니다. 따라서 이번 과제가 성공적으로 수행된다면 리튬이온전지 다음을 잇는 차세대 이차전지 개발에 있어서도 가속도가 붙을 수 있다고 생각됩니다. 
▲ 사업 선정 준비과정 중 어려웠던 점
=연구단은 4개의 총괄과제로 구성되어 있으며 산학연 중심의 총 19개 기관이 참여하고 있습니다. 그 만큼 다양한 연구기관마다의 특화된 기술적 장점을 한데 모아서 연구단의 목표 달성을 위한 하나의 방향 전략을 유도하는 것이 가장 어려웠습니다. 
▲ 해당 기술이 우리 삶의 어떤 부분을 변화시킬 수 있나?
=연구단이 추구하는 차세대 리튬이차전지 원천기술개발이 성공적으로 수행된다면 친환경 전기자동차의 대중화를 좀 더 앞당길 수 있으며, 이는 앞으로 더 심각해질 수 있는 온실가스에 기인한 급격한 기후변화도 선제적으로 대응할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 해당 사업은 대용량 전기자동차는 물론 전력저장장치 산업에도 적용될 수 있을 것으로 보고 있습니다.
▲ 국내 및 해외 연구 동향은?
=리튬금속이차전지 원천기술을 개발하기 위하여 미국에서는 2016년부터 이미 정부주도의 ‘Battery 500’ 과제를 총 5000만불 연구비 규모로 진행되고 있으며, 일본은 2018년에 자동차업체, 전지업체 및 관련 소재업체가 공동으로 모여 기존 리튬이온전지의 한계를 돌파하기 위해 급속충전이 가능한 리튬전고체 전지개발을 시작했습니다. 최근 국외 연구 동향을 살펴봐도 리튬금속 기반의 차세대 이차전지 개발에 집중하고 있는 것을 알 수 있습니다.      
▲ 기술의 향후 전망은 어떠한가?
=리튬금속 원천기술개발은 기술적 파급력이 큰 만큼 상당히 기술적 난이도가 큰 기술입니다. 하지만 국내 관련 분야 전문가가 한데 모여서 집중적으로 문제를 풀어간다면 충분히 넘어설 수 있다고 생각됩니다. 
▲ 향후 계획은?
=우선 연구단 출범과 함께 연구단 세부 조직을 완성하고 각 기관별 역할분담(R&R)을 다시 한 번 명확히 하여 전체 연구개발이 커다란 한 방향으로 향할 수 있도록 최선을 다할 계획입니다.  
▲ 마지막으로 전하고 싶은 말은?
= 연구단 과제의 기회를 주신 과학기술정보통신부, 한국연구재단 관계자분들께 감사드리고, 본 연구단에 기꺼이 참여해주신 한국생산기술연구원(이홍기 박사님), 한국과학기술원(김희탁 교수님), 전자부품연구원(유지상 박사님)을 포함한 19개 기관의 교수 및 연구원 분들에게도 감사드립니다. 아무쪼록 5년 뒤에 이차전지분야에서 한번 더 큰 도약을 할 수 있도록 성공적인 과제수행을 통하여 여러분의 성원에 보답하고자 합니다.