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[과학의 달인] 폭발 없는 '전고체 이차전지'…배터리 초격차 기술 개발

■ 김해진 / 한국기초과학지원연구원 박사

[앵커]
휴대전화부터 전기자동차까지, 배터리는 다양한 산업에서 필요로 하는 핵심 부품 중 하나인데요. 배터리의 성능을 높이면서 또 안전하게 작동시키기 위한 연구가 곳곳에서 이뤄지고 있습니다.

오늘 <과학의 달인>에서는 차세대 배터리로 불리는 '전고체 이차전지'를 개발하고 있는 한국기초과학지원연구원 김해진 박사 모셨습니다. 어서 오십시오. 박사님께서는 이차전지를 개발하시고 계신데요. 우선 이차전지라는 게 정확히 무엇인지 설명부터 해주시겠습니까?

[인터뷰]
네. 우선 우리가 흔히 얘기하는 전지라는 것은 화학반응 중의 하나인데 산화 환원 반응을 거쳐서 화학적인 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 말하고요. 크게 전지는 일차 전지와 이차 전지로 나누어지는데 일차 전지 같은 경우는 우리가 흔히 사용하는 건전지, 한번 사용하고 버리는. 뭐 알칼라인전지를 많이 사용하시는데요.

그다음에 이차전지 같은 경우는 그런 화학적인 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치인데 이건 재충전해서 사용할 수 있는 겁니다. 그러면서 이차전지의 시초라고 할 수 있는 전지의 경우는 지금도 우리 내연 기관에 자동차에서 사용하고 있습니다. 우리가 가장 많이 사용하는 리튬 이차전지, 이런 것들이 이차전지가 되겠습니다.

[앵커]
한마디로 정리하자면 충전해서 계속 쓸 수 있는 전지가 이차전지라는 말씀이신데요. 박사님이 만드시는 이차전지는 기존의 이차전지와 비교했을 때 어떤 특징이 있는 건가요?

[인터뷰]
제가 연구하는 분야는 전고체 전지라는 분야인데요. 기존의 전지에서 가장 사용되고 있는 많은 부분이 액체 전해질 기반의 전지를 사용하고 있습니다. 현재 이차전지는. 액체 전해질은 공기 중에 노출되거나 화학반응을 통해서 발화나 폭발이 일어나게 되는데 이때 사용되는 전고체 전지는 전고체 전해질을 사용했기 때문에 저희 같은 경우에는 자르거나 구부리거나 잘라도 동작을 하는 전지를 개발했습니다.

[앵커]
가지고 나오신 것을 한번 보여주시겠어요?

[인터뷰]
이것이 저희가 개발한 전고체전지가 되겠고요. 이렇게 상당히 얇습니다. 이렇게 구부려도 사용할 수 있습니다. 이런 경우에는, 지금 동작을 하려는지는 모르겠습니다만,

[앵커]
자동차인 거죠?

[인터뷰]
네. 어린이용 RC카를 만든 겁니다. 이렇게 구부려서 동작해도 이렇게 동작이 됩니다. 펜이 있어서, 이것을 구부린 것을 가위로 이렇게 아무 데나 잘라도 됩니다.

[앵커]
괜찮을까요? 정말?

[인터뷰]
지금 이게 배터리가 다됐네요. 이렇게 하고 현재 배터리에서는 불가능한 공기 중에 노출되어도 폭발하거나 불이 나지 않는 배터리가 되겠죠?

[앵커]
개발하신 전고체 이차전지는 어떤 특성이 있길래 이렇게 구부리고 잘랐는데도 정상적으로 작동되는 건가요?

[인터뷰]
기존에 많이 사용되는 이차전지 같은 경우는 아가 말씀드린 것처럼 액체 기반의 전해질을 사용하다 보니까 이 액체 기반의 전해질의 양극재와 음극재들이 리튬 이온이 왔다 갔다 하면서 화학반응을 하게 되고 화학반응을 하게 되면 거기에 의해서 불이 나거나 증상으로 폭발되거나, 부풀기도 합니다.

그러니까 팽창을 하게 되는데 이게 액체 전해질 기반의 현재 이차전지에서 가장 큰 맹점 중의 하나인데 전고체 전지라고 하는 것은 이 액체 전해질을 비휘발성 비폭발성을 가지고 있는 고체로 바꿔보자, 휘발성과 폭발성이 없으니까 화재나 폭발의 위험을 줄이는 겁니다. 그러한 형태를 만들 수 있고, 그다음에 저희가 구부릴 수 있는 부분도 전해질의 종류가 고체 전해질이 대표적으로 세 가지 있습니다. 저희는 일단 유연성을 가지는 것을 목표로 했기 때문에 고분자 전해질을 가지고 하는 것을 목표로 한 것이죠.

[앵커]
요즘 전기자동차의 배터리가 폭발하면서 화재가 발생했다는 소식을 많이 접하게 되는데요. 여기에도 말씀하신 액체 전해질이 사용되는 건가요?

[인터뷰]
그렇죠. 지금 사용되는 전기자동차의 이차전지는 전부다 액체 전해질 기반입니다. 이것은 차세대 전지가 되겠고요. 그다음에 이러한 것들을 화재라던가 폭발의 위험으로부터 사람의 생명을 위험으로부터 방어하기 위해서 전고체 전해질을 적용한 이유 중에 하나가 그런 것 중에 가장 큰 이유입니다.

[앵커]
보통 액체로 되어 있는 배터리는 열이 많이 나다 보니까 냉각장치가 필요하다고 되어 있습니다. 이것도 액체 전지의 단점이라고 볼 수 있는 건가요?

[인터뷰]
액체 전해질은 우리가 휴대전화를 사용하다 보면 뜨겁잖아요. 그것이 액체 전해질 때문에 그대로 놓으면 안 되기 때문에 배터리를 만들 때 항상 냉각 장치가 들어갑니다. 이것이 전체 배터리 셀의 30%를 차지하거든요. 그런데 전고체 전해질을 사용하는 전고체 전지 같은 경우에는 이러한 냉각장치가 필요 없습니다. 그만큼 작게 만들 수 있게 밀도를 높여서 에너지, 그리고 밀도를 증가시켜서 우리가 장수명으로 사용하는 형태가 되는 것입니다. 지금 현재 상황으로서는 원가가 냉각장치 또는 안전장치가 필요 없으므로 분명하게 원가는 상당히 절감됩니다.

[앵커]
배터리는 다양한 산업에서 필요로 하는 부품이잖아요. 현재 개발하신 이차전지는 어떤 제품에 적용할 수 있는 상황인가요?

[인터뷰]
저희가 개발한 것은 이번에 1mm 이하, 보시다시피 1mm 이하고 자유 변형이 가능하다고, 유연성을 가지고 있는 것이기 때문에, 가장 많이 사용될 수 있는 포스트 스마트 폰 시대에 맞춰서 웨어러블을 착용할 수 있는 전자기기 같은 것들이 있잖아요. 그런 것에서 일단 사용할 수 있고, 드론의 경우도 굉장히 무게가 작아야지만 오랜 시간 체공할 수 있습니다. 드론이나 현재 사물 인터넷이라던가 우리가 가장 건강에 많이 사용하는 건강관리 제품, 그리고 무궁무진한데 특히 어린이 장난감들에도 적용되면 어린이들은 자꾸 빨고 그러지만, 이것은 그런 위험이 낮습니다.

[앵커]
정말 다양한 제품에 활용할 수 있을 것 같은데요, 요즘 전기자동차와 자율주행차 수요가 많이 늘어나고 있지 않습니까? 거기에도 배터리가 필요할 텐데, 자동차에 적용되기까지는 어떤 노력이 더 필요할까요?

[인터뷰]
저희가 이번에 개발한 것이 용량이 500mAh 정도인데요. 현재 전기 자동차에서 요구하는 용량은 한 100 Ah 정도입니다. 상당히 격차가 큽니다. 그것은 저희가 전해질을 고분자 전해질을 사용해서 그런데, 이 전기 자동차까지 적용하기 위해서는 조금 더 연구 개발이 필요한 상황입니다.

[앵커]
많은 연구자가 배터리 개발 속도와 효율성을 높이려고 시도하고 있는데요. 앞으로의 연구 개발 목표는요?

[인터뷰]
"철학과 기초가 없이 빨리 성장한 것은 조만간 무너진다"는 말이 있듯이 그것이 과학기술에서도 적용되고 있고요, 전고체 전지는 아무도 안 가본 길이고 처음 시작하는 부분이기 때문에 저희는 과학적인 원리나 기반에 맞춰서 앞으로 안전하고 고용량이고, 장수명, 오래 사용하는 배터리 개발에 대해서 노력을 하겠습니다.

[앵커]
친환경, 초연결, 우주산업 등 모든 차세대 산업의 교집합에 바로 배터리 기술이 있는데요. 우리가 이 분야에서 앞서나갈 수 있게 앞으로도 많은 노력 기울여주시길 바랍니다. 지금까지 한국 기초과학 지원연구원 김해진 박사와 함께했습니다. 고맙습니다.


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