6. 리튬 이온 전지의 문제점

[엔지닉 2차전지 칼럼소개]

2차전지의 경우 다른 산업과 달리 교육 프로그램이나 교육 자료가 거의 없습니다. 그렇다보니 2차전지 공부를 하려는 학생들이 실제로 저에게 어려움을 토로하곤 합니다. 그래서 2차전지 공부를 시작하는 학생들을 위해 2차전지가 무엇인지, 무엇을 알아야 하는지에 대한 글을 연재하려고 합니다. 해당 내용은 비전공자를 포함한 모든 이공계생은 물론, 2차전지에 관심이 있는 문과학생들도 알아 두면 좋은 내용들입니다. 2차전지에 관심이 있는 학생들에게 도움이 되기를 바랍니다.

 리튬 이온 전지는 일본의 화학 회사인 아시아 카세이(Asahi Kasei)가 1985년 최초로 개발했다. 하지만 아사이 카세이는 과충전, 과방전, 과전류에서 발화·폭발 위험이 있는 리튬 이온 전지는 실제 환경에서 사용하기 어려울 것으로 생각하고 상업화를 포기한다. 이후, Sony는 캠코더용 전지의 개발 목표를 아사이 카세이가 개발한 리튬 이온 전지로 정하고 양산 기술을 개발한다. Sony의 가장 큰 업적은 보호회로(PCM: Protection circuit module)를 개발하여 실제 환경에서 사용할 수 있게 한 것이다. 양산 기술 개발을 마친 Sony는 1991년 리튬 이온 전지를 상업화한다.

 1990년대는 휴대용 전자기기의 전성기였다. 리튬 이온 전지는 경쟁 전지인 니켈 수소 전지를 시장에서 몰아내고 휴대용 전자기기 시장에서 주력 전지가 된다. 그런데 2000년대가 되어 전지 시장이 전기자동차로 확대되자 새로운 문제에 직면하게 된다.

 자동차 엔진룸에는 SLI(Starting, lighting & ignition)용 전지가 있는데, 12V 납축전지가 SLI 전지로 사용된다. 70도 이상의 고온이 되면 물질이 분해할 염려가 있는 리튬 이온 전지는 엔진룸의 혹독한 환경에서는 사용하기가 어렵다. 이런 문제점으로 리튬 이온 전지가 SLI용 납축전지를 대체하지 못하고 있는 것이다.

 또, 저온에서 충전을 하면 충전 문제가 발생한다. 저온에서 흑연 음극의 저항이 급증하면서 리튬 원자가 흑연의 결정 속으로 들어가지 못하고 음극 표면에 석출하는 현상이 발생한다. 저온 충전 문제는 전자 담배인 Philip Morris의 IQOS로 인하여 널리 알려졌다. 영하의 추운 온도뿐 아니라 영상 5~10도 정도의 온도에서도 충전이 안 되는 문제가 발생한 것이다. 저온 충전 문제는 HEV에서 심각한 문제로 대두되었다. 동력 지원 HEV에서 시동을 걸면 엔진이 돌아가면서 전지를 충전하게 되는데, 추운 겨울에 시동을 걸 때마다 음극 표면에 리튬 금속이 석출되는 심각한 문제가 발생하는 것이다. 이러한 저온 충전 문제는 흑연에 소량의 소프트 카본을 첨가해서 해결했다. 작은 분말의 소프트 카본이 흑연 분말을 감싸면서 음극에 저항이 증가하는 것을 막는다.

 전지는 형태에 따라 원통형, 각형, 파우치 전지로 분류한다. 이 중에서 원통형 전지가 에너지 밀도가 가장 높다. 원통형 전지는 생산성이 각형 전지의 2배, 파우치 전지의 4배이다. 높은 생산성으로 단위 용량 당 가격이 제일 낮다. 그러나 전기자동차에는 중대형 원통형 전지를 사용하지 못하고 있다.

 원통형 전지는 높은 에너지 밀도로 인하여 고급 벤트인 전류 차단 벤트(CID: current interrupt device)를 장착한다. 이 CID는 가스를 방출할 뿐 아니라, 전류까지 차단하여 열폭주(thermal runaway)를 막는 역할을 한다. 전기자동차에는 이러한 중대형 원통형 전지 96개를 직렬연결한 360V의 배터리 팩이 장착된다. 만약 이 중에서 한 개의 전지가 과충전되어 CID가 열렸다고 가정하자. 이렇게 되면 팩 전압인 360V가 열린 CID에 몰리면서 아크가 발생하게 되고, 이로 인해 전지에 불이 날 수 있다. 이런 문제로 전기자동차에는 중대형 원통형 전지를 사용하지 못하고 있다. 그대신 18650(지름 18mm, 높이 65mm) 원통형 전지나 21700(지름 21mm, 높이 70mm) 원통형 전지를 사용하고 있다. 18650 원통형 전지를 사용하면 배터리 팩의 전지 수가 중대형 원통형 전지를 사용할 경우 96개에서 7,104개로 증가한다.

 전지산업계는 리튬 이온 전지의 문제점에 대하여 말하는 것을 꺼려 하는 경향이 있다. 그러나 장점과 아울러 단점까지 완전히 파악해야 균형 잡힌 시각으로 시장을 볼 수 있음을 잊지 말아야 한다.

[엔지닉의 요약정리!]

■ 아사이 카세이 1985년 리튬 이온 전지 최초 개발 But) 상업화 X

 이후, SONY는 1991년 보호회로를 개발하여 리튬 이온 전지 상업화에 성공

■ 2000년대, 전지 시장이 전기자동차로 확대되자 리튬 이온 전지 시장은 새로운 문제에 직면

 1) 리튬 이온 전지는 70도 이상의 고온이 되면 물질이 분해될 염려가 있어서 자동차 엔진룸에서 사용 X

 2) 저온에서 충전이 안되는 문제 ▶ 흑연에 소량의 소프트 카본을 첨가하여 해결

 3) 가장 생산 효율이 좋은 중대형 원통형 전지 사용시 발화 가능성 多, 중대형 원통형 전지 사용 X

■ 장점 뿐 아니라 단점까지 파악해야 균형 잡힌 시각으로 시장을 바라볼 수 있음!