에너지업계, 이차전지 원천기술·설비 등 인프라 강화
에너지업계, 이차전지 원천기술·설비 등 인프라 강화
  • 최준 기자
  • 승인 2023.12.08 06:00
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LG엔솔-KAIST, 리튬메탈전지 원천기술 확보로 기술적 난제 극복
포스코, 포항 이차전지 특화단지 산업용가스 생산·저장설비 착공
KAIST-LGES FRL 리튬메탈전지 기술 관련 인포그래픽. 사진=LG에너지솔루션
KAIST-LGES FRL 리튬메탈전지 기술 관련 인포그래픽. 사진=LG에너지솔루션

[이지경제=최준 기자] 에너지업계가 차세대 배터리 시장 인프라를 강화하고 있다.  

8일 업계에 따르면 LG에너지솔루션과 KAIST 공동 연구팀은 7일 최근 리튬이온전지 대비 주행거리를 약 50% 늘리고 충방전 효율 및 수명 또한 대폭 개선할 수 있는 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

특히 이번 연구 논문은 세계적인 과학 학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재되며 그 성과를 인정받았다.

이는 LG에너지솔루션과 KAIST가 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 2021년 설립한 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)이 2년여 동안의 연구를 이어온 끝에 거둔 성과다. 

FRL은 LG에너지솔루션이 국내외 유수 대학 및 기관들과 함께 차세대 배터리 관련 연구개발(R&D) 과제를 수행하는 공동 연구센터다. LG에너지솔루션은 KAIST 외에도 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌스턴 대학 및 헬름홀츠 연구소 등과 FRL을 운영하고 있다.  

리튬메탈전지는 기존 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체하면서 기존 리튬이온전지보다 음극재의 무게와 부피를 크게 줄일 수 있는 것이 특징이다. 이를 통해 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있어 대표적 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다. 

하지만 기존 리튬메탈전지의 경우 음극 표면에 발생하는 덴드라이트(Dendrite)와 액체 전해액에 의한 지속적인 부식(Corrosion)이 배터리의 수명과 안전성을 위협하는 한계로 지적돼 왔다.

LG에너지솔루션과 KAIST 공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 붕산염-피란(borate-pyran)기반 액체 전해액을 세계 최초로 적용했다. 

이 전해액은 충방전시 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층(Solid Electrolyte Interphase, SEI)을 치밀한 구조로 재구성함으로써 전해액과 리튬메탈 음극 간의 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.   

이를 통해 리튬메탈전지의 충방전 효율을 향상시키는 것은 물론 1회 충전에 900km 주행이 가능할 만큼 에너지밀도를 높일 수 있다. 기존 고성능 전기차에 적용되는 리튬이온전지의 주행거리 약 600km보다 50% 높은 수준이다. 

이 밖에도 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능하다. 또한 이번 연구에서 구현된 리튬메탈전지는 전고체전지와는 달리 구동시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계가 가능하다.  

정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터장 부사장은 “KAIST와 함께 액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적인 난제를 해결해 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다는데 의의가 있다”며 “앞으로도 FRL과의 적극적인 협력을 통해 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리의 상용화에 앞장서 나가겠다”고 말했다.

 

포항제철소 산소공장 전경. 사진=포스코
포항제철소 산소공장 전경. 사진=포스코

포스코는 지난 5일 경북 포항시 영일만 일반산업단지 내 이차전지 특화단지에 연산 25만톤 규모의 산업용 가스 생산 설비를 착공했다.

포스코는 5000평 부지에 1000여억 원을 투자해 산소공장을 신설하고 공기 중의 산소와 질소를 분리, 정제하는 공기분리장치(ASU, Air Separation Unit)와 액체산소 2000톤을 저장할 수 있는 대형 저장탱크 등을 설치한다. 

2024년 하반기에 대형 저장탱크를 먼저 설치하고 2025년 하반기까지 ASU 설비를 준공해 이차전지의 핵심소재인 양극재, 전구체 생산공정 및 니켈 정제공정에 사용될 고순도 산소와 질소를 공급할 예정이다.

포스코는 포항 이차전지 특화단지 내 양극재 공장을 운영 중인 포스코퓨처엠 등과의 장기 공급 계약을 통해 더욱 안정적이고 경제적으로 산업가스를 공급할 계획이다. 이번에 신설되는 ASU와 대형 저장탱크를 통해 연간 양극재는 10만톤, 순니켈은 5만톤, 전구체는 11만톤까지 공급이 가능할 전망이다.

특히 이번 산소공장 준공은 현재 해외 및 사모펀드 소유 기업이 90% 이상을 점유하고 있는 국내 산업가스 시장에서 포스코가 공급 확대를 본격화함으로써 국내산업 경쟁력을 제고하는 데 기여할 수 있을 전망이다.

현재 포항·광양 제철소에 국내 최대 규모인 산소공장 총 22개를 보유한 포스코는 연간 약 1700만톤의 산업용가스를 생산 중으로 1600만톤은 철강 생산 공정에 사용하고 이외에는 외부로 판매하고 있다. 제철소와 배관으로 연결돼 있는 포스코퓨처엠의 포항 청림사업장과 광양 동호안 인근의 SNNC 등에는 기체 상태의 산소·질소를 판매하고 있으며 일부 가스는 액화시켜 탱크 로리를 이용해 중소 충전소와 가스 판매업체로 판매중이다.

산소와 질소는 철강뿐만 아니라 반도체, 조선, 화학, 자동차 등 다양한 산업의 생산공정에 필수적인 유틸리티로 국내 기체가스 시장 규모는 연간 약 2조2000억원, 액체가스 시장 규모는 연간 5000억원에 달한다. 특히 기체시장 수요처 중 반도체, 이차전지소재 분야가 차지하는 비율은 약 80%에 달해 지속적으로 성장할 것으로 전망된다.

포스코는 향후 수요처 인근에 ASU 설비 확대를 지속적으로 모색하고, 산소∙질소 등 일반산업가스와 더불어 네온(Ne), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 등 반도체 산업에 필수적인 희귀가스와 제철소 부산물을 활용한 특수가스 상용화를 통해 사업을 확장해 나갈 계획이다.

한편 포스코는 2021년부터 제철소 산소공장에서 생산되는 산업가스를 활용한 신사업을 착수했으며 올해 1월에는 산업가스 사업 확대 및 전문 운영체제로의 전환을 위한 산업가스사업부를 신설해 산업가스시장 진출을 본격화했다.


최준 기자 news@ezyeconomy.com

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