현재 가솔린 기반의 내연 자동차를 전기자동차가 대체하기 위해서는 상당히 많은 기술적인 문제점이 해결되어야 하는데, 가장 큰 문제점 중에 하나는 현 수준의 리튬-이온 이차전지로는 1회 충전 후 약 150 km 밖에 주행할 수 없는 낮은 에너지 밀도를 들 수 있다.

내연기관 자동차와 비슷한 수준인 1회 충전 후 500 km 이상을 주행할 수 있는 수준이 되어야만 전기자동차가 현재의 내연기관 자동차를 대체하고 본격적인 전기자동차 시장이 열릴 것으로 전망되고 있다.

일본 NEDO에 따르면 리튬-이온 이차전지의 한계 에너지밀도는 최대 250 Wh/kg이 될 것으로 예상하고 있으며, 본격적인 전기자동차 보급에 필요한 500 km 이상을 주행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 700 Wh/kg 이상의 에너지밀도를 갖는 새로운 형태의 배터리가 개발되어야 하는 상황이며, 여러 후보 기술 중 700 Wh/kg 이상의 에너지밀도를 구현할 수 있는 기술로는 리튬-공기 전지, 아연-공기 전지 등의 금속-공기 전지가 가장 유망하다고 알려져 있다.

금속-공기 전지의 최대 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하지만 다른 이차전지 대비 매우 높은 이론 에너지밀도를 가지면서 친환경적인 특성도 보유하고 있다는 것이다. 여러 종류의 금속-공기 전지 중 에너지밀도, 전기적 충o방전 가능성 및 기타 전기화학적 특성 비교시, 차세대 전기자동차용 이차전지로는 리튬-공기 및 아연-공기 전지가 가장 유망한 후보군으로 뽑히고 있다.

특히 리튬-공기 전지는 이론 에너지밀도가 11,140 Wh/kg에 달해 13,000 Wh/kg인 가솔린과 유사한 특성을 보이면서 금속-공기 전지 중에서도 가장 큰 에너지밀도의 값을 갖고 있다. 이러한 잠재력 때문에 2000년대 중반부터는 아연-공기 전지보다는 리튬-공기 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

[Table] 금속-공기 전지별 이론 에너지 밀도 비교표

(Source : Excellatron Solid State LLC)

[Figure] 리튬-공기전지의 Anode/Electrolyte 및 Cathode/Electrolyte 계면에서의 충반전 반응 메카니즘 모식도

(Source : G. Girishkumar et al., J. Phys. Chem. Lett. 1 (2010) 2193)

리튬공기전지의 상용화를 위해 극복해야 할 많은 문제들이 산재해 있어 상용화는 다소 시일이 걸릴것으로 전망이 점쳐치고 있지만 다양한 학문 분야의 연구자들의 지식과 전문성이 요구되는 도전적인 분야이다.

최근들어 IBM, Toyota, 삼성전자 등 다수의 글로벌 기업들이 개발 경쟁에 속속 진입하면서 연구 개발 투자가 이어지고 있어서 기존의 리튬이온전지 및 연료전지 분야 기술 역량을 기반으로 적극적으로 연구 개발을 진행할 경우, 기술적 난제를 조기에 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

본 보고서에서는 최근 Post-LiB 기술 중 가장 많은 관심을 받고 있는 리튬-공기 전지에 대한 기술 이슈, 요소 기술, 기술 개발동향, 특허 동향 등에 대하여 기술하였다.

본 보고서의 Strong Point는

① 차세대 이차전지의 기술 개발 현황 및 국가별 개발 로드맵
② 리튬-공기 전지의 기술 이슈 및 핵심 요소 기술
③ 금속-공기 전지 및 리튬-공기 전지의 특허 동향
④ 리튬-공기 전지를 개발하고 있는 각 국가별 연구소&기업체의 개발 현황
⑤ 향후 리튬-공기 전지의 응용 분야 및 상용화 전망

등에 대해서 최근까지의 리튬-공기 전지의 기술 개발 동향 정보를 제공하고 있다.