정부가 개발 지원한다는 ‘수계 아연전지’ 정체는? [소부장박대리]

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정부가 개발 지원한다는 ‘수계 아연전지’ 정체는? [소부장박대리]

디지털데일리 발행일 2023-07-16 11:32:37

이건한 기자

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고분자 보호층을 통한 수계아연전지 안정화 모식도 [ⓒ 포스텍]

[디지털데일리 이건한 기자] 최근 과학기술정보통신부가 ‘차세대 2차전지 민관협의체’ 출범식에서 언급한 연구 지원 아이템 중 ‘수계 아연전지’라는 다소 생소한 전지가 포함돼 참석자들의 궁금증을 자아낸 바 있다.

우리 정부는 국내 배터리 산업 육성에 대해 산업통상자원부가 정책 및 규제 등을 담당하고 과기정통부가 R&D(연구개발) 지원을 담당하는 기조를 갖고 있다. 과기정통부는 최근 국내 배터리 산업계, 학계, 연구계의 소통 채널을 확대하고 원천기술 측면의 R&D를 보다 적극적으로 지원하기 위해 별도의 민관협의체를 출범하면서 단기적 지원 아이템으로 ▲혁신형 리튬이온전지 ▲전고체전지 ▲수계 아연전지 ▲나트륨 이온전지를 꼽았다.

이 중 리튬이온전지는 이미 대중적으로 쓰이고 있으며 전고체전지는 차세대 2차전지로 널리 알려져 있다. 나트륨 전지도 최근 각지의 개발 추진 소식이 전해지며 인지도가 높아지는 중이다. 반면 수계 아연전지는 아직 잘 알려져 있지 않다. 어떤 특성의 전지일까?

수계 아연전지는 2차전지의 전해질로 물을 사용하는 전지다. 전해질은 배터리 내 양극과 음극 사이에서 이온의 이동을 돕는 물질이다. 주로 액체 전해질이 널리 쓰이는데 화재에 취약해 배터리 화재 발생 시 가연성 연료 역할을 하기도 한다. 불에 타지 않는 고체전해질 배터리(전고체전지)나 난연성 전해질 개발에 업계가 관심을 두는 이유다. 수계 아연전지는 애초에 불에 타지 않는 물을 전해질로 사용하므로 화재에 안전하다는 장점이 있다. 비슷한 예로 양극에 바닷물을 이용하는 ‘해수전지’가 있다.

수계 아연전지는 원재료 중 하나인 아연의 가격도 값비싼 리튬에 비해 10분의1 이상 저렴하다. 지난해 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터의 이민아 박사 연구팀이 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조 기술 개발에 성공하며 주목을 받은 바 있다. 아연금속 음극의 단점은 전지 구동 중 불규칙한 나노입자 성장과 부식 문제로 인한 수명저하 및 전해액 고갈이었는데, 특수 용액으로 이 같은 부작용을 크게 개선한 성과였다.

이어 같은 해 10월에는 포스텍 화학과 박수진 교수·송규진 박사후연구원·첨단재료과학부 통합과정 이상엽 연구팀도 다기능성 고분자 보호 코팅층이 포함된 아연 음극 개발에 성공해 수명 연장과 전극 안정성 개선이란 성과를 얻었다고 발표했다.

이처럼 저렴한 가격과 불에 타지 않는 특성의 2차전지는 안전성과 가성비를 중시하는 여러 분야에서 수요가 발생할 수 있다. 단점인 수명 문제에 대한 해법도 제시되면서 정부 역시 수계 아연전지 기술 고도화를 지원할 명분이 충분해진 상황이다.

다만 전기차용으론 상용화가 쉽지 않을 전망이다. KIST 관계자는 “수계 아연전지는 저렴하고 불이 붙지 않지만 기본적으로 에너지밀도(용량)와 전압(출력)이 낮아 전기차용으론 적합하지 않다”며 “그래서 ESS(에너지저장장치) 용도로 주목받는 것”이라고 설명했다.

ESS는 사용하고 남은 에너지나 추가 발전된 친환경에너지를 저장할 수 있는 대형 전력보관 장치다. 세계적으로 친환경에너지 사용에 대한 진흥 정책이 본격화되면서 ESS 시장 규모도 매년 급격한 성장이 예고되고 있다. 에너지 전문 시장조사업체인 블룸버그 NEF 보고서에 따르면 2021년 기준 글로벌 ESS 누적 설치 용량은 56GWh, 2030년 전세계 ESS 시장 규모는 연간 178GWh에 달해 연평균 30% 이상 성장할 것으로 전망된다. 시장가치로 약 350조원에 달한다.

국내에서는 앞서 수년 전 ESS 보급이 본격화된 적 있으나 잇따른 화재 문제로 최근에는 신규로 설치되는 ESS가 많지 않은 분위기였다. 그러나 수계 아연전지, 해수전지를 비롯해 보다 안전하고 저렴하게 이용할 수 있는 차세대 2차전지 기술 개발이 순조롭게 이뤄지면서 국내 ESS 보급도 중장기적으론 다시 활기를 띄게 될 것이란 기대감이 따른다.