이차전지는 충전과 방전을 할 수 있는 전지를 말한다. 일반적으로 모아 둔 전기를 다 사용하고 나면(방전) 폐기해야 되는 전지(일반적으로 일상생활에서 사용되고 있는 건전지)를 1차전지라 부른다. 반면에 모아 둔 전기를 모두 사용하고 나서 다시 전기를 모아(충전)서 재사용이 가능한 것이 2차전지이다. 이러한 이차전지는 모바일과 이동 수단들이 점차 전동화되고 있는 전동 킥보드, 전기자전거와 전기자동차 등에 필수적으로 사용되고 있으며, 더불어 배달용 로봇이나 이송수단으로 각광받고 있는 드론에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.
일반적으로, 전기자동차나 드론 등과 같이 대용량으로 전기를 사용하는 이차전지는 리튬이온(Li-ion) 배터리를 사용한다. 이는 다른 배터리에 비해 가볍고 고 에너지 밀도로 에너지를 저장할 수 있으며, 고효율로 고전압의 충전이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 단점으로는 과방전 시 배터리 용량감소가 크고 과충전 시 내부전극에서 쇼트가 나거나 배터리에 충격을 주면 폭발할 수 있는 치명적인 단점이 존재한다. 이러한 리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막의 4대 핵심소재로 구성되어 있다. 이들은 리튬이온 배터리에서 다음과 같은 역할을 수행한다. 양극재는 리튬이온 소스(source)로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하고 음극재는 양극에서 나오는 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 한다. 또한, 전해질(현재는 액체를 상용으로 사용하고 있음)은 리튬이온을 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 매개체 역할을 하며 분리막은 화학 반응에 참여하지 않고 단순히 양극과 음극이 접촉 시 쇼트에 의한 폭발이 일어나므로 양극과 음극이 물리적으로 접촉하지 못하게 한다.
최근에 전기자동차와 전동킥보드를 비롯해 전기저장장치인 ESS에 사용되고 있는 리튬이온 배터리들의 폭발사고가 빈번히 발생하고 있다. 폭발의 원인으로는 대부분 과충전에 의하거나 충격 때문에 일어난다. 이는 앞서 이야기한 가연성의 액체 전해질에 열이 가해지면서 발화의 원인이 되며, 또한 작은 충격으로 인한 분리막의 손상으로 전해질이 외부로 새어 나와 폭발과 화재의 위험을 유발한다. 이러한 리튬이온 배터리의 폭발과 화재의 위험으로부터 벗어나기 위해서는 우선 전해질의 신소재 개발이 대두되고 있다. 즉, 가연성의 액체 전해질을 대신해 구부리거나 잘라도 작동하는 고체 전해질을 개발하는 것이다. 고체 전해질은 기존의 액체 전해질처럼 과충전 시 열화현상으로 인한 화재가 발생하지 않는다. 전해질 자체가 고체로 되어 있어 양극과 음극을 서로 분리하는 분리막이 필요하지 않아서 충격으로 인한 분리막의 손상으로 가연성의 액체전해질의 누액이 없어 폭발이나 화재의 위험성이 0에 가깝다는 것이다.
화재나 폭발의 위험성을 벗어난 앞으로의 이차전지는 전해질의 소재개발뿐만 아니라 리튬이온을 양, 음전극 내부까지 원활히 이동시킬 수 있는 향상된 복합전극 기술과 넓은 단면적을 쌓아 올려 전기 용량을 극대화할 수 있는 발전된 적층기술까지 확보하여할 과제로 남아 있다.
K-반도체를 뛰어넘는 K-배터리로 나아갈 미래의 이차전지는 전지의 효율을 좀 더 높이기 위한 좀 더 발전된 복합 전극기술과 적층기술을 확보하고 액체전해질을 고체로 대체한 전고체 리튬이온 이차전지의 개발로 현재보다 나은 가볍고 고용량의 빠른 충전과 함께 화재(폭발)의 위험이 없는 그러한 길로 나아가야 할 때이다.
하양 울산과학대 전기전자공학부 교수
