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노벨상 '리튬배터리' 다음은 '리튬메탈'···대덕벤처 '주목'

[모든 것의 시작, 나노.24]니바, 리튬메탈 배터리 잉곳 국내최초 제조
기존 문제 극복 고용량 안정성···전기차·드론, 일본제 대응


차세대 이차 베터리 소재로 주목받는 리튬메탈은 반응성이 매우 커 국내서 다루는 기업이 없었다. 니바는 국내최초로 리튬메탈 덩어리(잉곳)와 응용 부품을 만든다. <영상=윤병철 기자>


'리튬 이온 배터리' 연구자들이 올해의 노벨화학상을 받았다. 리튬 이온 배터리의 발전이 휴대용 전자기기와 재생에너지 상용화를 가속해 문명에 이바지한 공이 인정된 것이다.
 
가볍고 충전할 수 있는 리튬 이온 배터리는 소니 워크맨에서 스마트폰에 이르기까지 손안의 세상을 평정했다. 그러나 누가 알까. 리튬 이온 배터리도 몇번이나 죽음의 계곡을 건넜다.
 
1970년대 등장한 리튬 이온 배터리는 초기에 쇼트가 발생하는 등 문제가 많아 쓰이기도 전에 묻힐 뻔했다. 요시노 아키라 박사가 이번 노벨화학상을 받은 것은 흑연을 음극재로 대체해 리튬 이온 배터리를 안정화 시켰기 때문이다. 이밖에도 많은 연구자와 기업가들이 리튬 배터리 상용화에 손을 보탰다.
 
안정화를 얻은 리튬 이온 배터리는 스마트폰을 만나 문명을 이끌었으나, 뒤이어 등장한 드론과 전기차를 만나면서 용량이라는 계곡 앞에 멈춰섰다. 산업은 기존 리튬 이온 배터리보다 이론상 에너지 용량이 10배 이상 큰 리튬메탈을 배터리의 음극재로 다시 조명하기에 이른다.
 
이에 리튬메탈을 국내최초 생산한 국내 스타트업 니바(대표 백창근)가 배터리가 직면한 용량의 계곡을 건너려 한다.
 
리튬, 고용량 음극소재로 재조명···미·유럽은 이미 사용, 한국은 일본산 수입

니바는 저렴한 리튬재료와 친환경 공정으로 고순도 리튬메탈 잉곳을 만든다 . <사진=윤병철 기자> 니바는 저렴한 리튬재료와 친환경 공정으로 고순도 리튬메탈 잉곳을 만든다 . <사진=윤병철 기자>
 
'리튬(Li)'은 가장 가벼운 알칼리 금속으로 원소 중 전자에너지가 가장 높다. 전자기기 핵심소재로도 다양하게 쓰이며, 폭발을 일으키는 특유의 활발한 반응성만 잘 다스리면 용량이 크고 안정한 충전 배터리 전극소재로 유망하다.
 
국내서 쓰는 리튬메탈은 해외수입에 의존하며, 특히 메탈을 얇게 썬 포박형 리튬호일은 일본의 '화이트리스트' 전략 수출품목이기도 하다. 리튬메탈이 국내생산이 안된 이유에 대해 백창근 대표는 "대기업이 하기에는 소요시장이 작았고, 중소기업이 만들기에는 기술이 까다롭다. 리튬메탈 배터리가 주목받기 시작한 건 불과 4년 전"으로 설명했다. 4년 전이면 드론이 인기 반열에 오른 때다.
 
드론을 멀리 보내려면 그만큼 배터리 용량은 크고 가벼워야 좋다. 기존 흑연음극 리튬 배터리로는 20분 비행이 고작이다. 미국은 고용량인 리튬메탈 배터리로 드론을 날린다. 한편 유럽은 전기버스에 리튬메탈을 쓴다. 전기버스의 대용량 배터리 부위 높은 온도가 리튬메탈 배터리 성능을 좋게 만드는 효과와 맞아떨어졌다.
 
백 대표는 "리튬메탈의 장점을 살린 배터리 응용시장이 확대되고 있으며, 사용시간과 용량이 계속 증가하는 스마트폰에도 널리 탑재될 것"으로 전망했다. 그는 해외 리튬메탈 제조사보다 월등한 기술력으로 관련 시장에 빨리 대응한다는 계획을 밝혔다.
 
국내최초 순도 99.9% 리튬메탈, 초박형 호일 등 소재부품 제조 
 
순도 99.9%의 리튬메탈 잉곳 <사진=윤병철 기자>순도 99.9%의 리튬메탈 잉곳 <사진=윤병철 기자>
니바는 세라믹 필터 기술과 불순물을 선택적으로 침전분리하는 기술을 동원해 저가의 리튬원료로도 순도 높은 리튬 덩어리 '잉곳'을 만들 수 있는 기술이 있다. 게다가 기존 공정에서 쓰던 유해한 염소가스를 쓰지 않아 환경규제에서 자유롭다.
 
리튬메탈 잉곳 제조는 니바가 국내최초다. 공기에 닿으면 안 되고 전기화학적인 반응도 민감해 누구도 쉽게 손대지 않았던 분야다. 니바가 만든 잉곳은 내부에 기포와 오일 등 불순물이 없는 99.9% 순도를 자랑한다. 잉곳은 배터리 원재료로도 충분히 가치가 있고, 호일과 칩 등 배터리 소재로 가공하면 더 큰 부가가치를 낳는다.
 
호일은 초박형과 롤, 슬라이드 형태가 있다. 특히 초박형 호일은 두께 20마이크로미터 이하의 얇은 판으로 리튬 이차전지 핵심소재다. 얇을수록 많이 겹칠 수 있어 에너지 밀도와 수명이 좋아진다. 이 호일이 일본의 수출규제 소재다. 한국은 전량 일본산 수입에 의존했다.
 
칩은 연구용 배터리에 들어가는 부품으로 다양한 두께와 규격에 맞춰 제조된다. 그동안 리튬메탈 칩은 전량 수입에 의존했는데, 반응성 때문에 보관이나 통관에 애를 먹어왔다. 국내서 제공한다면 이런 애로가 사라진다.
 
백 대표는 "잉곳 제조가 예상보다 상당히 어려웠으며, 화재도 몇번 당할만큼 시행착오를 많이 겪었다"며 "몸소 겪은 만큼 응용기술을 폭넓게 다루게 됐다"고 말했다.
 
니바는 잉곳과 응용소재 제조기술에 대한 4건의 특허를 출원·확보하고 시제품으로 국내 대기업과 해외 기업에 기술력을 인정받아 양산을 준비 중이다. 또한 실리콘 나노분말과 리튬메탈을 섞어 고용량 음극소재를 개발하는 응용 연구를 나노조합 T+2B 지원을 통해 진행하는 등 다양한 리튬메탈 소재 라인업을 준비한다.

(왼쪽부터) 리튬피막 구리호일, 초박형 리튬호일, 리튬 칩 <사진=니바 제공>(왼쪽부터) 리튬피막 구리호일, 초박형 리튬호일, 리튬 칩 <사진=니바 제공>
 
2024년 '리튬메탈 배터리' 시대 대비 대덕특구 협력 도모
 
"상호 '니바'는 새로운(Neo) 배터리(Batteries)의 앞 이니셜을 모은 뜻으로, 전과 다른 리튬메탈 제조사란 의미가 있죠."
 
백 대표는 전기화학 전공 박사로 대기업서 리튬 배터리를 20년 연구개발하며 다양한 음극소재를 다뤄왔다. 그동안 리튬메탈 수급이 제한적이고 공정이 까다로워 해결책을 찾던 중 실리콘 음극소재 환원공정이 리튬메탈 공정과 유사함을 깨달았다. 그는 새로운 혁신 제품으로 사회에 이바지하고자 2017년 창업에 나섰다.
 
국내최초로 리륨메탈 잉곳개발에 나선 그는 매일 새로운 도전과 실패를 반복했다. 민감한 리튬의 성질에 맞게 반응기와 용기, 환경, 규제 등 모든 것을 새로 만들고 적응하며 1년 내내 잉곳 개발에 매달렸다. 1년 후 그는 원하는 결과를 손에 쥐었다.
 
백 대표는 "미국과 유럽 경우 다양한 리튬메탈 배터리 제조사가 드론과 전기버스 등 세부 영역에 진출하며 시장을 형성하고 있긴 하다"며 "그러나 기존 리튬메탈 글로벌 기업도 현재 양산 수준으론 대량으로 양산될 전기차에 대응하기 어려울 것"으로 진단했다.
 
그가 보는 리튬메탈 시장은 몇백억원 규모가 전망되는 국내보다 이미 다양한 응용시장이 형성된 해외다. 이를 위해 본격 양산설비를 갖추기 위해 투자에 적극 나서는 한편, 기업이 자리한 대덕특구의 정부출연연구소와 대학, 관련 기업들과 협력을 시작했다.
 
백 대표는 오는 2024년을 리튬메탈 배터리의 본격 도래기로 내다보며 "많은 이의 스마트폰과 전기차에 니바 배터리가 들어가도록 세계 5위권 리튬메탈 글로벌 전문기업으로 성장하겠다"는 포부를 밝혔다.
 
니바는 2019 일본 국제2차베터리엑스포에 국산최초 리튬메탈 제품을 출품했다 <사진=니바 제공>니바는 2019 일본 국제2차베터리엑스포에 국산최초 리튬메탈 제품을 출품했다 <사진=니바 제공>
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