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에너랜드

KIER에서 들려주는 쉬운 에너지 이야기

미래 핵심기술 ‘이차전지’, 친환경 미래를 이끌어갈 수 있을까?

  • 작성일 2023.12.08
  • 조회수 1864

탄소중립 달성을 위한 움직임이 심상치 않습니다. 지구촌에서는 세계적인 흐름에 발맞춰 다양한 제도와 규제들이 생겨나고 있으며, 태양광 풍력 등 재생에너지 관련 기술 개발도 이루어지고 있죠. 이러한 바람과 힘입어 폭발적으로 성장하고 있는 분야가 있는데요. 바로 에너지원을 저장‧공급하는 차세대 에너지 소자 ‘이차전지’입니다.

이차전지란?

‘전지’라고 하면 보통 일차전지(primary battery)인 건전지를 떠올리실 겁니다. 일차전지는 소량의 전기가 필요한 곳에 전지를 부착해서 사용한 후, 방전되면 폐기하고 새것으로 교체하는 식으로 사용하는데요. 1회의 방전만의 기능을 보유할 뿐, 충전 후 재사용 할 수 없다는 것이 특징입니다. 대표적으로 TV나 에어컨 리모컨에 장착하여 사용하는 전지가 여기에 해당하죠.

이차전지(secondary battery, 충전지)는 일차전지와 달리 충전과 방전 기능을 모두 가지고 있습니다. 쉽게 말해 방전되면 수백 회 이상 재충전 후 다시 사용할 수 있는 전지를 일컫는데요. 외부 전기에너지를 화학에너지 형태로 바꾸어 저장했다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 식으로 작동됩니다. 휴대전화나 노트북 배터리, 카메라 배터리가 이차전지에 속하죠.
일차전지 이차전지

이차전지, 핫하다 핫해!

이차전지의 수요는 끊임없이 치솟고 있습니다. 이차전지에 대한 글로벌 시장의 관심도 절정에 달하죠. 그 이유는 대표적인 친환경 이동 수단인 ‘전기차’! 세계 각 정부에서 제시하는 강력한 친환경 정책에 힙입어 전기차의 비중이 점점 높아지고 있는데요. 여기서 이차전지는 전기차의 핵심 에너지원으로 활용되는 것 외에도 친환경 에너지를 생산, 보급, 활용할 때 꼭 필요한 기술로 작용합니다. 이에 따라 한국과학기술평가원은 고용량‧장수명 이차전지 기술을 ‘2030 국가온실가스감축목표에 기여할 10대 미래유망기술’로 꼽기도 했답니다.

재생에너지 사용 확대, 순환경제로의 전환, 에너지 효율 개선, 저탄소 차량 확산 등과 같은 친환경 이슈가 지속되면서 널리 쓰이고 있는 이차전지인 리튬이온전지에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 리튬이온전지는 말 그대로 이온 형태의 리튬이 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 형태의 배터리를 말하는데요. 원소주기율표에서 2번에 해당하는 원소를 활용하기에 매우 가벼우며, 높은 에너지 밀도를 자랑하기에 작은 용량으로도 많은 전력을 공급할 수 있다는 특징을 지녔죠.

이차전지의 양면

우리가 친환경, 친환경을 외치는 이차전지에는 숨은 비밀이 있는데요. 바로 완벽한 친환경이 아니라는 사실! 이차전지에 사용하는 핵심원료들을 생산하고 가공하는 과정에서 지하수 고갈 및 수질 오염, 온실가스 배출 등과 같은 환경문제가 초래되거든요. 화석연료 사용을 줄여 전 세계 온실가스 배출의 약 14%를 차지하는 운송 부문, 약 25%를 차지하는 전력 부문에서 상당한 감축 효과를 낼 수 있다고 믿고 있던 이차전지에 이면이 존재하는 셈이죠.

친환경으로만 볼 수 없는 이유는 또 있습니다. 이차전지의 수명이 다해 발생하는 ‘폐배터리’ 문제인데요. 이차전지는 충전을 통해 반복해서 사용할 수 있지만 영구적으로 사용할 수는 없습니다. 전력을 보관할 수 있는 용량이 시간이 지남에 줄어들거든요. 대개 전기차 배터리 수명은 10년 정도로 봅니다. 한편 리튬을 비롯한 망간, 니켈, 코발트 등은 일반적인 쓰레기처럼 땅에 묻거나 태워 폐기하는 것도 불가능하죠. 다시 말해, 친환경을 이끌었던 이차전지가 골칫덩어리와 같은 폐기물로 전략해 버릴 수 있다는 겁니다.

㈜영풍의 배터리를 파쇄해 만든 이차전지 리사이클링 원료
(https://www.donga.com/news/article/all/20220922/115586187/1)

앞선 문제들을 해결하고자 전 세계에서는 폐이차전지 재순환을 위한 연구가 진행되고 있습니다. 한국에너지기술연구원 마찬가지인데요. 최근에는 국내 자체 기술인 ‘다공성 그래핀 코팅’ 기술을 개발해 이차전지의 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했으며, 기술이전을 통해 사업화하고 있다죠. 또한 오는 2026년까지 ‘전기차 폐배터리 양극의 고부가가치 자원순환을 위한 저탄소 통합 기술 개발’이라는 R&D 프로젝트를 추진하는 등 폐이차전지의 자원순환을 위해 열심히 뛰어다니는 중입니다.

▼ 다공성 그래핀 코팅 기술 더 알아보기 ▼

[가스신문] (인터뷰) 한국에너지기술연구원 김희연 박사 “촉매원천기술로 탄소중립 앞당길 터” “수소경제와 탄소중립 사회의 실현을 위해서는 촉매 기술이 필수적입니다 .” 대덕연구단지에 위치한 한국에너지기술연구원에 근무하는 김희연 박사는 지난 96 년부터 27 년째 촉매를 연구하고 있다 . 경유의 심도탈황 촉매 개발로 박사 학위를 취득한 후 , 2004 년 연구원에 입사하여 연료전지나 수소제조공정 , 온실가스 전환공정 등에 적용하기 위한 촉매 개발에 매진하고 있다 . 촉매 전문가인 김 박사는 고온에너지전환연구실 소속으로 , 고온수전해 , 고온연료전지 시스템의 전극 소재 , 고분자전해질연료전지용 전극촉매 , 건식개질 기반 수소... energium.kier.re.kr

한번 상상해 보세요. 태양, 파도, 바람 등을 통해 청정에너지를 생산하고, 이차전지에 에너지를 보관한 뒤, 전기자동차에 공급하여 사용하는 과정을요. 표면적으로 봤을 때 이차전지만 있으면 탄소중립이 금세라도 실현될 것 같지 않나요? 하지만 앞서 이야기했듯, ‘이차전지가 정말 친환경인가’라는 의문은 멈추지 않습니다. 그럼에도 분명한 건 탄소중립을 이끌어가는 데 핵심기술로 활용되리라는 것인데요. 한국에너지기술연구원을 비롯해 국내외 수많은 연구원들도 이차전지의 생산과정과 폐이차전지 활용에 대한 고민을 지속해 나가는 중입니다.

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더 편리하게 이용하고, 더 오래 달리며,
더 깨끗한 미래를 만들어 줄 이차전지의 미래가 기대됩니다.

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[내용 출처]

한국에너지기술연구원 에너지움, 구멍 숭숭 그래핀 코팅 기술로 이차전지, 연료전지 내구성 잡았다(2022)

동아일보, 친환경 전기차, 배터리도 친환경일까(2021)

일요신문, 친환경 날개 달고 배터리 시장 고속충전 중(2023)

그린포스트코리아, 친환경 이차전지산업의 ‘역설’(2022)

그린포스트코리아, 에너지 혁신 이끄는 이차전지 기술(2022)

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