차세대 전지 연구개발에 앞장서는 LG에너지솔루션 전고체전지 연구팀

친환경 열풍으로 이차전지의 사용이 늘면서 에너지 효율이 높고 안전한 차세대 전지에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이 중 하나가 전고체전지입니다. 미래 전지를 준비하는 LG에너지솔루션 황화물계 전고체전지 연구팀을 만났습니다.

(왼쪽부터) LG에너지솔루션 김명수 선임, 최락영 선임, 김지영 책임, 김슬참 책임, 김동현 책임 

팀 내에서 김지영 책임은 셀 파트장으로서 복합양극 연구와 함께 연구 전반을 관리하고, 최락영 선임은 복합양극을, 김슬참 책임은 박막 음극을, 김동현 책임과 김명수 선임은 각각 고체 전해질막과 건식 전극을 연구하고 있습니다. 기존에 리튬이온전지 연구를 했던 김지영 책임과 김명수 선임을 제외한 나머지 연구원들은 LG에너지솔루션 입사 후 줄곧 황화물계 전고체전지를 연구해왔습니다.

안전성 극대화한 꿈의 배터리, 전고체전지

전고체전지는 리튬이온전지의 안전성을 보완할 수 있는 차세대 전지로 주목받고 있는 기술입니다. LG에너지솔루션에서는 2016년부터 전고체전지 연구 기반을 검토하여 2017년부터 본격적으로 황화물계 전고체전지 적용 연구를 시작했습니다.

Q. 황화물계 전고체전지는 무엇이며 어떤 장점을 가지고 있나요?

최락영 선임(이하 최락영): 기존의 리튬이온전지는 전해질이 액체로 이뤄져 있고 나머지 양극과 음극, 분리막 등은 고체로 구성되어 있는데요, 전고체전지는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것으로 고체 재료의 특성상 화재나 단락에도 발화와 폭발 위험이 낮아 안전성을 극대화할 수 있어요.

전고체전지는 고체 전해질의 소재에 따라 황화물계, 고분자계, 산화물계 전고체전지로 나뉘는데 특히 황화물계 고체 전해질은 다른 고체 전해질에 비해 이온 전도도가 높고 사용 온도 범위가 넓다는 장점이 있습니다. 최근에는 황화물계 전고체전지의 음극으로 리튬 메탈을 적용해 에너지 밀도를 크게 증가시킬 수 있다는 점에서 주목받고 있고요. 

리튬이온전지 vs. 전고체전지 비교

Q. 전고체전지 기술과 시장 환경은 어떻게 변하고 있나요?

김동현 책임(이하 김동현): 에너지 효율이 높고 안전한 전지에 대한 시장의 수요가 늘면서 많은 기업들이 전고체전지에 대한 연구를 활발하게 시작하고 있어요. 기존의 리튬이온전지 시장을 몇몇 배터리 업체들이 주도했다면, 전고체전지는 기존 배터리 업체에 신규 스타트업까지 뛰어들어 기술 우위를 점하기 위한 경쟁이 치열한 상황입니다.
 
기술적으로는 이온 전도도가 높은 고체 전해질 소재 개발과 박막 형태의 음극 적용 연구가 최근 들어 많이 이뤄지고 있습니다. 시장에서는 전고체전지 양산 시점을 2030년 전후로 보고 있는데, 시장이 커지기 위해선 에너지 밀도와 안전성 외에도 가격경쟁력을 확보하는 것이 가장 중요하다고 봅니다.

LG에너지솔루션 김명수 선임, 김동현 책임, 김지영 책임 

미래 이끌 에너지를 충전 중입니다 

황화물계 전고체전지는 기존의 전지를 개선하는 것이 아닌 완전히 새로운 미래 기술입니다. 양산 예상 시점도 아직 가시화되지 않았습니다. 이를 두고 김지영 책임은 ‘아직 모든 것이 시제품인 세계’라고 말합니다. 재료부터 셀, 공정까지 모두 시작 단계에 있지만 사회적으로 안전한 배터리의 필요성에 대한 공감대와 기대감은 어느 때보다 높아진 상황, 황화물계 전고체전지에 쏟아지는 관심만큼 이들의 어깨는 더 무겁습니다.

 Q. LG에너지솔루션의 황화물계 전고체전지 연구는 현재 어느 단계에 와있나요?

김슬참 책임(이하 김슬참): 전고체전지 연구는 일본에서 먼저 시작되었고 국내에서는 이제 막 연구 시작 단계에 접어들었어요. LG에너지솔루션이 기존의 리튬이온전지 분야에선 선도적인 입지를 가지고 있지만 아직까진 이룬 것보다 해야 할 것들이 훨씬 많죠. 황화물계 전고체전지는 독자적인 생산 공정과 가격과 성능이 개선된 소재가 필요하기 때문에 아직 대형 셀을 구현하고 상용화하기까지는 더 많은 연구가 필요한 상태예요.

최근 LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고대학교(UCSD)와 공동 연구로 고용량 소재에 가격을 낮출 수 있는 마이크로 실리콘 음극재를 적용하여 높은 에너지 밀도의 차세대 전지 구현 가능성을 보여준 논문을 세계 최고 권위의 과학 저널 ‘사이언스(Science)’ 지에 발표하기도 했습니다. 앞으로도 지속적인 연구를 통해 발전시켜 나가고자 합니다.
 
김지영 책임(이하 김지영): 지난해 말 마곡에 연구팀이 새 둥지를 틀고 황화물계 전고체전지가 차세대 전지로 부각되면서 회사 차원에서 아낌없는 지원과 투자가 이뤄지고 있어요. 저희만을 위한 연구 공간과 장비가 생겼고 연구 인력도 이례적으로 많이 충원되었거든요. 마침 LG에너지솔루션이 분사하면서 조직 분위기도 새로워졌고요. 여러 시점이 잘 맞물려 떨어지면서 황화물계 전고체전지 연구도 한 단계 올라설 준비를 하고 있어요.

LG에너지솔루션 김지영 책임

Q. 연구 과정에서 겪고 있는 어려움과 해결해야 하는 과제가 있다면 무엇인가요?

김지영: 황화물계 소재의 특성상 수분에 굉장히 취약하고 구동에 엄청난 압력을 필요로 하기 때문에 양산을 위해선 기존의 생산 환경과 공정을 전부 다 바꿔야 해요. 수분에 강한 소재 개발이 필요하고, 양산 공정 또한 신규 소재에 맞춰 다시 만들어야 하죠. 저희 팀의 목표는 제품에 적용할 수 있는 양산 전 단계의 시제품을 만들 수 있는 기술력을 확보하는 것이지만, 셀을 대형화하고 자동화에 가까운 대량 생산 공정 기술을 개발하는 것도 저희 연구에 포함되기 때문에 소재 검토부터 셀 제작 공정 개발까지 전반에 걸친 연구를 수행하고 있어요.
 
최락영: 양극재나 음극재는 리튬이온전지의 소재들을 많이 차용해서 쓰고 있어서 기존 협력업체에서도 적극적으로 협력해 주지만 고체 전도체 소재의 경우 기존에 전혀 사용하지 않는 소재다 보니 자체 개발을 하거나 외부에서 수급하기가 쉽지 않아요. 아직 많은 협력과 연구개발이 필요한 상황이고요. 전지라는 큰 시스템에서 보면 리튬이온전지와 전고체전지의 메커니즘이 크게 다르지 않기 때문에 기존에 전지를 오래 연구하셨던 분들의 경험이 많이 필요한 상황이고, 실제로도 이분들께 많은 도움을 받고 있어요.

LG에너지솔루션 김슬참 책임과 최락영 선임

Q. 황화물계 전고체전지가 양산되면 어떤 분야에 적용될 것으로 예상하시나요?

김슬참: 전지가 사용되는 모든 분야에 적용될 수 있겠지만 안전이 우선되어야 하는 분야에 먼저 적용될 것 같습니다. 황화물계 전고체전지는 발화의 위험이 현저히 낮고 사용 온도 범위가 넓어 낮은 기온에서도 작동을 보장할 수 있거든요. 따라서 경찰차, 소방차, 구급차, 병원이나 국가기관의 비상 전력을 위한 ESS, 군사시설 등 비용이 다소 많이 들더라도 안전이 중요한 사회 기반 시설에 먼저 적용하는 것이 가능하다고 봅니다.

Q. 황화물계 전고체전지 개발이 고객들에게 어떤 가치를 전달할 수 있을까요?

김지영: 저는 황화물계 전고체전지가 배터리 안전에 대한 사람들의 인식을 조금이라도 바꿀 수 있다고 봐요. 그래서 자동차 제조사에서 더 적극적으로 기술을 연구하고, 기술력을 강조하는 것도 있고요. ‘배터리는 위험하지 않다’는 안심과 신뢰감을 주는 것, 이런 사고의 전환이 소비자에게 미칠 수 있는 가장 큰 영향인 것 같습니다. 

모두가 만족하는 LG사이언스파크 라이프

연구팀은 지난해 12월 대전 기술연구원에서 마곡 LG사이언스파크로 근무지를 이전했는데요. 현재 LG사이언스파크에서 근무하는 연구원들의 만족도는 매우 높다고 합니다. 가장 큰 이유로 이들은 편리한 접근성과 쾌적한 근무 환경을 꼽습니다.

Q. 접근성과 근무 환경 외에도 LG사이언스파크의 장점이 더 있다면 무엇인가요?

김지영: 수도권에 이 정도 규모로 집단지성이 뭉쳐진 연구단지가 또 있을까요? 저는 입사한 지 이후 대전 기술연구원에서 15년을 보내고 온 터라 이곳에 오니 회사 안에만 머물러 있었던 시야가 확 트이는 느낌이에요. 우리 회사가 LG의 계열사라는 것도 실감 나고요. 그동안 관심을 기울이지 않았던 다른 계열사의 연구에 관심이 생기기도 합니다. 계열사 연구진들끼리 기술과 장비에 관한 정보를 공유하고 시너지 효과를 낼 수 있는 소통 창구가 늘었으면 좋겠다는 바람이 있어요.
 
김명수 선임(이하 김명수): 저는 이미 LG사이언스파크에서 다른 계열사 연구팀과 협업을 진행하고 있고, 시간이 지나면 더 많은 공동 연구를 할 수 있을 것으로 기대하고 있어요. LG사이언스파크 내 다른 연구원 분들과 대화할 기회가 많아 각자의 연구 주제나 실험 내용에 관해 얘기하다 보면 생각의 폭이 넓어지는 느낌도 받고요. 수도권에 있는 대학이나 연구소와 물리적, 심리적 거리가 가까운 점도 앞으로의 연구에 도움이 될 것으로 생각됩니다.

LG에너지솔루션 김명수 선임, 김슬참 책임, 김지영 책임, 최락영 선임, 김동현 책임

Q. LG사이언스파크를 한 단어나 문장으로 표현해 주신다면요?

김지영: ‘도심 속 꿈의 연구소’라고 말하고 싶어요. 이런 연구단지가 서울에 있는 것은 정말 큰 장점이라고 생각하거든요. 아직 우리만 좋은 줄 알지 많은 사람들이 서울식물원이 LG사이언스파크 바로 옆에 있는지도 잘 모르더라고요. 좀 더 많은 사람들이 LG사이언스파크의 장점을 알았으면 좋겠어요.

최락영: ‘LG의 미래’요. 저희 팀만 봐도 사내에서 가장 선행연구를 하고 있잖아요. 다른 계열사도 크게 다르지 않을 거라고 봐요. 제일 전방에서 제가 하고 있는 일들이 결국에는 그룹이 미래로 나아가게 하는 힘이 될 것이라고 생각합니다.

김동현: ‘서울 역세권에 위치한 최고의 연구공간’. 사실 지하철역 하나도 가깝기가 쉽지 않은데 주변에 지하철역이 세 군데나 있거든요. 대중교통으로 출퇴근할 수 있다는 것만으로도 주변 사람들이 굉장히 부러워하더라고요. 저 역시 이 접근성이 가장 큰 장점이라고 생각하고요. 그래서 ‘역세권’이라는 단어를 넣어봤어요.

Q. LG사이언스파크에서 일하면서 연구원으로서 앞으로 이루고 싶은 목표와 계획을 말씀해 주세요. 

김슬참: 모든 연구는 연결되어 있다고 생각하기 때문에 평소 하나의 문제도 다양한 관점으로 이해하려고 노력하고 있어요. 지금은 황화물계 전고체전지 연구를 하고 있지만 언젠가 다른 기술이 등장해도 지금 연구와 접점이 분명히 있을 거예요. 이런 접점을 잘 만들어서 다양한 분야를 아우를 수 있는 연구자가 되고 싶습니다.

김지영: 선행연구부터 시작한 건 아니었지만, 리튬이온전지를 연구하면서 제가 개발한 기술을 제품에 적용해 직접 고객들을 만났던 경험이 있거든요. 그 경험이 제게는 정말 뿌듯한 기억으로 남았어요. 지금은 멀게 느껴지지만 황화물계 전고체전지를 가지고 고객 앞에 설 수 있는 날도 언젠가는 올 거예요. 그날을 위해 지금 해야 하는 일들을 열심히, 잘 하는 것이 목표입니다.

김동현: 제가 하는 연구를 통해 사람들의 선입견이나 인식을 조금이라도 바꾸고 싶어요. 90년대 초반까지만 해도 리튬이온전지를 회의적인 시선으로 보는 사람들이 많았어요. 지금도 전고체전지뿐만 아니라 차세대 전지에 대해 그런 시선들이 존재하고요. 저 혼자 힘으로는 할 수 없지만 여러 사람과 함께 협력해서 그런 인식들을 바꿔보고 싶습니다.