전기차가 대중화 하려면 리튬황전지·금속공기전지 같은 차세대 2차전지 개발이 필요하다는 지적이 나오고 있다. 지금 쓰이는 리튬이온전지는 에너지밀도(단위 중량에 포함된 에너지의 양)가 낮고 가격이 높은 탓이다.

2차전지는 전기차 핵심 소재다. 전기차 모터는 2차전지로 구성한 배터리에서 생성되는 전기에너지로 구동한다. 한번 충전으로 갈 수 있는 거리와 배터리 충전 속도는 2차전지 성능에 달려 있다.

방전과 충전이 가능한 2차전지는 기본적으로 4개 부분으로 이뤄진다. 양극과 음극, 분리막과 전해질이다.

양극에서 빠져 나온 이온과 음극에서 빠져 나온 전자가 전해질에서 화학 작용한다. 음극에서 빠져나온 전자는 전류가 되어 방전되고 양극에서 나오는 이온은 음극으로 환원 돼 충전된다. 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지한다.  

전기차 배터리 주류는 리튬이온전지다. 리튬이온전지는 양극을 활성화하는 물질로 리튬을 사용하고 음극엔 코발트나 탄소 기반 물질을 넣는다. 에너지 용량이 크고 저장 시간이 길어 많이 사용하고 있다.

전기차용 리튬이온전지는 지속적으로 성장하고 있다. 일본 노무라 종합연구소에 따르면 자동차용 리튬 2차전지 시장은 2015년 170억달러에서 2020년 302억달러로 성장한다. 전기차용 리튬이온 배터리 점유율은 2015년 20%에서 2020년 27.7%로 늘어날 것이라 예상한다.

하지만 전기차가 내연기관 수준으로 대중화하려면 고밀도 에너지와 가격경쟁력을 갖춘 차세대 2차 전지가 필요하다. 이에 리튬황전지(Li-S)와 금속공기전지(Li-O2)가 차세대 2차전지로 떠오르고 있다.

리튬황전지는 황 나노물질을 이용해 만든 2차전지다. 리튬황전지 에너지 밀도는 1500kWh/kg로 리튬이온전지보다 3배 높다. 황과 전해질이 닿지 않아 그 공간만큼 에너지를 더 사용할 수 있다. 또 오랜 충전과 방전에도 전지용량 80%를 유지할 수 있다.

리튬황전지를 이용한 전기차는 한 번 충전에 500km 이상을 주행할 수 있다. 아우디가 500km 주행가능한 전기차를 만들겠다고 발표하자 리튬이온전지 대신 리튬황전지를 사용하는 것이 아니냐는 관측이 나온 것도 이때문이다. 리튬이온배터리 평균 주행거리는 150km에 불과하다.   

리튬황전지는 가격 경쟁력이 있다. 리튬이온전지는 kWh당 약 170달러지만 리튬황전지는 kWh당 약 100달러다. 리튬황전지 핵심 물질인 황의 가격이 리튬이온전지에 쓰이는 코발트보다 싸다.

금속공기전지도 차세대 전지로 각광 받고 있다. 금속공기전지는 양극에 사용되던 금속을 탄소촉매로 대체한 전지다. 전해질을 이용하는 대신 탄소가 대기 속 산소 원자를 끌어당기는 원리다. 공기를 사용해 가볍고 에너지 밀도가 높다.

국내 리튬황전지와 금속공기전지 연구개발은 미미하다. 전지업계에서는 차세대 2차전지의 상용화 시기를 2030년으로 보고 있다. 업계 관계자는 “LG화학 중앙연구소와 삼성종합기술원 정도가 리튬황전지와 금속공기전지를 탐색적으로 연구하는 수준”이라 말했다.

정경윤 한국과학기술연구원 에너지융합연구단 단장은 “우리나라 2차전지 생산능력은 세계 1위인데 반해 부품·소재와 원천 기술은 각각 일본의 50%와 30% 수준이라”며 “차세대 2차전지 연구 개발을 통해 선제적으로 부품·소재와 원천 기술을 확보해야 한다”고 밝혔다.