에너지 인사이드

GS에너지가 전하는 10가지 이야기

일곱째, 이차전지 연구개발로 신에너지 미래를 열어갑니다.

2010.08.31

생활속에 없어서는 안될 필수요소가 되버린 이차전지.

다양한 전지의 종류와 전지의 소재들에 대해서 간략히 알아봅니다.

재충전해서 사용하는 이차전지, 무엇이 있나

시계, 랜턴이나 워크맨, TV 리모콘 등에서나 사용되던 전지(電池, Battery)가 요즘은 휴대전화, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터, 자동차에 이르기까지 여러 곳에서 필수적으로 쓰이고 있습니다. 최근에는 첨단기술의 발전에 따라 전지에도 고출력, 소형화, 안정성, 긴 수명 등의 특성이 요구되고. 세계시장도 기하급수적으로 확대되어 감에 따라 많은 기업들이 관심을 기울이고 있습니다.

GS칼텍스는 현재, 가정용/상업용 연료전지, 박막형 리튬이차전지, 그리고 EDLC용 탄소소재, 리튬이차전지용 음극재와 태양전지 및 기타 차세대 전지 관련 연구개발을 계속하면서 사업화에 가속도를 내고 있는데요. 여기서 연료전지, 박막전지, 탄소소재 등이 전기에너지와 관련된 것이라는 점은 알겠는데, 생소하기도 하고 헷갈리기도 한 것 같습니다.

이에, GS칼텍스가 추진하고 있는 사업들을 중심으로 각종 전지(電池)의 기초적 개념들에 대해 정리해 보겠습니다.

전지의 종류 GS칼텍스가 진출한 분야
완제품 소재 기타
1차전지(건전지) - - -
2차전지 리튬이차전지 박막전지
(아시아최초)
음극재
(국내최초)
-
EDLC(슈퍼커패시터) - 탄소소재
(세계최대)
-
연료전지 가정용 연료전지
등 (국내최대)
- 수소스테이션
태양전지 연구검토 중 - -

전지는 건전지처럼 한번 쓰고 나면 재사용 할 수 없는 1차전지와 다시 충전해서 사용할 수 있는 2차전지(rechargeable battery)로 나뉩니다.

2차 전지는 소재에 따라 납(Lead-acid), 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈-수소(NiMH), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 등의 종류가 있는데, 현재 리튬이차전지가 에너지 밀도나 가격 측면에서 우위를 나타내고 있어, 노트북(원통형), 휴대폰(각형) 등에 널리 사용되고 있습니다.

박막전지

박막전지는 전지를 형태상 분류했을 때의 한 종류입니다. 즉, 원통형이나 직육면체가 아니라 작고 얇은 박막(薄膜, thin film) 형태로 만든 것인데, 현재 태양전지나 리튬이차전지 분야에서 박막화 기술개발이 진행중 입니다. 두께를 종이보다 얇은 수십 마이크론으로 줄이고, 종이처럼 휘어질 수 있어 다양한 형태의 제품에 사용될 수 있는 박막전지는 스마트카드, RFID, 무선센서, 헬스케어, 인공장기등에 적용할 수 있으며 소형화 되어가는 전자제품 시장 트렌드를 선도할 것으로 기대됩니다. 박막전지 전문 회사인 GS나노텍은 기존의 리튬이차전지와는 달리 전해액을 사용하지 않는 고체 형태로서, 친환경적이고 고온에 강하며 폭발 및 발화의 위험이 없는 박막전지를 아시아 최초로 개발하여, 올해부터 본격적인 양산에 돌입할 예정입니다.

연료전지

연료전지(燃料電池, fuel cell)는 소형 발전기라고 생각하면 됩니다. 산화/환원반응을 이용한다는 점에서 화학전지와 공통점이 있으나, 에너지를 저장하기 보다는 직접 변환시키는 장치라는 의미에서 그것을 3차전지의 개념으로 분류하기도 합니다. 즉, 2차전지가 외부로부터 전기를 공급받아 저장하는 장치임에 반해, 연료전지는 외부에서 연료(수소, 도시가스 등)를 공급받아 연소 에너지를 전기화학적인 방법으로 변환해서 전기를 직접 생산하는 장치인 것이죠.

GS칼텍스는 1989년 연료전지 개발을 시작한 이래, 대형건물/아파트 등에 활용 가능한 50㎾급 연료전지시스템과 도시가스를 이용하는 1㎾급 가정용 연료전지, 3㎾급 가정용 연료전지 열병합발전시스템 등을 개발했으며 현재 120㎾급 대형 연료전지 개발도 진행 중입니다. 연료전지 전문 회사인 GS퓨얼셀은 시스템 설계/구성, 스택, 연료변환기 등 연료전지 3대 핵심기술을 국내에서 유일하게 보유하고 있으며, 질적으로도 선진국에 비해 뒤지지 않는 기술력을 갖춘 것으로 평가받고 있습니다.

반영구 에너지 저장장치인 EDLC(슈퍼커패시터)용 탄소소재

최근 리튬2차전지를 대체하거나 보완하는 영역에서 EDLC(전기이중층 커패시터, Electric Double Layer Capacitor)도 새롭게 주목받고 있습니다. 전기자동차 등에서 순간적인 힘이 필요한 경우나, 원격지나 위험지역에서 배터리 교체 없이 반영구적으로 사용될 수 있는 에너지 저장장치가 EDLC 입니다. 슈퍼커패시터로도 불리우는 EDLC의 가장 큰 장점은 충/방전이 급속으로 이루어져서 순간적인 고출력이 가능하고, 10만회 이상 재생할 수 있어 반영구적으로 사용할 수 있다는 것입니다.

EDLC는 일본, 미국 외에도 우리나라에서도 완제품을 생산하고 있으나, 이에 필요한 핵심 소재들은 전량 일본에서 수입해오던 실정이었습니다. EDLC의 전극(양극/음극)은 모두 동일한 탄소소재(활성탄)로 이루어져 있는데, 이 탄소소재가 EDLC의 전기용량을 결정하는 핵심요소인 것입니다. 일반적으로 활성탄소는 흡착성능이 뛰어나기 때문에 석유화학공장에서 촉매담체나 정수기/공기청정기 등에서 불순물을 흡착하는 매체로 사용되는데, EDLC용 활성탄소는 그것보다 훨씬 미세하고 균일하며 불순물이 없는 고품질이어야 하므로, 주로 석유계 코크스를 원료로 합니다.

GS칼텍스는 지난 2005년부터 연구개발을 시작하여 2008년 신일본석유와 합작으로 경북 구미에 Power Carbon Technology(PCT)라는 회사를 설립하고 올해부터 세계최대 규모인 연간 300톤을 생산하여, 국내 수요를 안정적으로 공급함은 물론 수출도 가능하게 되었습니다. PCT는 하이브리드 전기자동차 및 친환경 전기버스용 전원 등의 성장성을 고려하여, 단계적으로 2015년까지 연산 900톤으로 생산능력을 확대해 나갈 계획도 가지고 있습니다.

리튬이차전지용 음극재

리튬이차전지를 구성하는 4가지 소재는 양극재(+전극), 음극재(-전극), 분리막, 전해질입니다. GS칼텍스는 이 가운데 특히 국산화율이 '제로(0)' 수준인 음극재 개발에 주력하여 왔습니다. 음극재는 흑연(Graphite)이 주로 사용되는데, 고순도 인조흑연의 경우 핵무기 등 첨단 군사무기의 재료로도 쓰일 수 있기 때문에 전략물자로 분류되어 극히 일부 국가에서만 자체적으로 개발/생산하고 있는 실정입니다.
GS칼텍스는 EDLC용 탄소소재 개발의 역량 및 노하우를 바탕으로 전기자동차용 중대형 리튬이차전지용 음극재 개발에 역량을 집중하여 국내 최초로 개발에 성공했습니다.

더욱이 세계 수준에 뒤지지 않는 성능을 인정받아, 양산 체제가 갖춰지면 사업전망도 매우 밝습니다.

트위터 페이스북 미투데이