'꿈의 배터리'라 불리는 전고체 배터리를 알아보자

 

전고체 배터리는 꿈의 배터리라 불려지는데 그 이유는 전기차 업계의 최대 화두인 화재 폭발 위험을 낮추고, 배터리의 부피와 무게는 줄이면서 충전 용량을 늘려 전기차 주행 시간을 획기적으로 늘릴 수 있기 때문이다. 전 세계 전기차 관련 업계가 가장 주목하고 있는 전고체 배터리에 대해 알아보자.

 

 

 

 

 

 

 

전고체 배터리란?

 

 

스마트폰이나, 전동공구, 전기차에 사용하는 배터리는 대부분 리튬이온배터리로 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있다. 전고체 배터리는 양극과 음극을 오가며 전기를 발생하는 액체 상태의 전해질을 고체로 바꾼 것이다.

 

 

 

리튬이차전지 & 전고체 리튬이차전지 비교(자료출처=해시넷)

 

 

 

 

전고체 배터리의 장점

 

 

리튬이온배터리에 있는 전고체는 액체 상태로 되어 있다. 액체 상태의 전해질을 가진 배터리의 단점은 온도 변화에 따라 몸체가 부풀거나, 외부 충격에 손상 시 누수로 인해 화재나 폭발의 위험이 있다. 리튬이온 배터리에는 양극과 음극의 접촉을 막기 위해 칸막이 역할을 하는 분리막이 있는데 분리막이 손상되면 양극재와 음극재가 접촉해 열이 발행하여 화재와 폭발 위험이 커진다. 이따금 각 업체 전기차가 발화, 폭발하는 것도 이런 액체 전해질에서 문제가 발생하는 것이 대부분이다.

 

반면, 전고체 배터리는 전고체(全固體)라는 단어로 알 수 있듯이 모든 요소가 고체화되어 있다. 고체 전해질이 분리막 역할을 대신하기 때문에 분리막이 따로 없다. 고체 전해질은 온도 변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험이 없다.  부피팽창이 발생하지 않고 열과 압력 등 극한 외부 조건에서도 정상작동할 수 있어 안전성이 높다. 

 

 

 

 

 

 

 

고출력이 가능하다. 충방전 반응이 곧 고체 내 리튬이온의 확산 반응으로 반영돼 높은 출력이 기대된다. 또한 사용 온도가 넓다는 것이다. 전기차 사용 시 가장 큰 애로사항이 겨울철 배터리 성능이 저하돼 주행거리가 줄어드는 것이다. 전고체 배터리는 기존 유기 전해액에 비해 넓은 온도 영역에서 안정적인 성능을 확보할 수 있어 저온 환경의 불안 요인이 해소될 것이다. 

 

무엇보다 가장 큰 장점으로는 배터리의 용량과 밀도를 늘릴 수 있는 것이다. 음극을 흑연이나 실리콘 대신 리튬 금속을 적용해 에너지 밀도를 늘릴 수 있고 전해액과 분리막을 없애고 비는 공간에 에너지 밀도가 높은 물질을 넣어 용량을 늘리 수 있다. 

 

 

 

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전고체 배터리 단점

 

 

셀 제조 과정에서 엄청난 압력과 온도를 필요로 하는데 양산 설비를 구축하기 어렵다. 고체이기 때문에 이질적인 파우더끼리 계면 저항, 전극과 전해질의 계면 저항을 피할 수 없다. 

고체 전해질은 액체 전해질에 비해 이온전도도가 낮다는 것이 본질적인 문제다. 기존 리튬이온 배터리처럼 전극 제조 시 슬러리로 코팅하면 용량이나 효율 특성이 현저히 저하된다. 원가 측면에서는 고체 전해질이 액체 전해질과 분리막을 더한 것보다 원가가 낮아야 하는데 소재 특성상 당분간 어렵다. 또한 음극재까지 리튬 금속으로 변경하면 새로운 생산 설비가 필요해 제조 원가가 높아질 수밖에 없다.

 

 

 

 

 

 

 

개발 현황

 

 

국내 배터리 업체는 전고체 전지 관련 기술 개발을 서두르고 있다.

삼성 SDI는 2027년부터 전고체 전지 본격 양산에 돌입할 것이라 밝혔다. 삼성 SDI는 전고체전지 계열 중 높은 이온전도, 양산 적합성 등이 강점으로 꼽히는 황화물계 전고체 전지를 개발하고 있다. 배터리 3사 중 가장 먼저 전고체 전지 시험라인이 파일럿 라인(S라인)을 착공하면서 전고체 배터리 양산 채비에 나섰다. 

 

LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 배터리를 시작으로 2030년에는 황화물계 전고체 배터리를 차례로 시장에 내 좋을 계획을 갖고 있다. 고분자계 전고체 배터리의 경우 하이브리드 형태의 고체 전해질을 개발해 최대 단점으로 꼽히는 낮은 이온전도도를 개선할 계획이다. 이온전도도는 배터리 내부에서 이온이 잘 이동할 수 있는 정도를 뜻한다. 

 

SK온은 2030년 양산 목표이다. 미국 전고체 배터리 스타트업인 솔리드파워와 기존 리튬이온배터리 생산 설비에서 제조할 수 있는 전고체 전지를 개발하고 있다. SK온 모회사 SK이노베이션은 고무 형태 고분자 전해질을 개발해 네이처에 논문이 소개된 이승우 조지아 공대 교수진과 협력해 전고체 배터리를 개발했다. 이 교수가 개발한 고체 전해질의 이온전도도는 기존보다 100배 높인 것으로 알려졌다.