전고체 배터리 특성 기대 효과 동향 살펴보기

전고체 배터리는 2차 전지 시장의 판도를 바꿀 수 있는 기술일까요?

전고체 전지는 리튬이온 배터리의 특성과 비교할 때 차별점이 무엇인지, 그리고 개발하는 이유 및 개발 진척현황에 대해 알아보겠습니다.

 

 

아울러 전고체 전지의 개발이 성공하고 시장에 출시되었을 때 기대효과에 대해서도 살펴보겠습니다.

 

전고체 배터리 특성과 동향 살펴보기

 

전고체 배터리와 리튬이온 배터리의 다른 점

전고체 배터리는 이름 그대로 배터리를 구성하는 물질이 전부 고체상태라는 의미입니다.

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막 그리고 액체상태의 전해질로 구성되어 있는 반면에 전고체 전지는 양극, 음극 그리고 고체 전해질이 분리막의 역할까지 병행하는 구조로 리튬이온 배터리에 구조가 단순합니다.

이에 더해 고체라는 물질의 상은 유동성이 있는 액체보다는 훨씬 견고하고 안정한 상태임을 고등학교 과학시간에 배운 기억이 있으실 것입니다.

 

 

우리가 리튬이온 배터리를 사용하면서 가장 우려하는 것이 안정성에 대한 문제입니다. 요즘에는 많이 개선되었지만 핸드폰 배터리를 사용하다 보면 배가 부풀어 올라 팽창되어 있는 것을 본 경험이 있을 것입니다.

이런 현상들은 액체 전해질이 온도 변화를 견디지 못해서 발생하는 현상인데 외부 충격에 의해 누액이 생기면 위험성이 증가할 수 있습니다. 특히 리튬이온 배터리 음극에 쌓이는 덴드라이트(Dendrite) 현상으로 분리막이 손상되는 경우는 양극과 음극의 단락현상을 초래하여 폭발과 화재와 같은 위험성을 내포하고 있습니다. 이러한 위험성을 방어하기 위해 안정성을 높이기 위한 부품이나 장치를 추가로 적용해야 하니 원가도 올라가게 될 것입니다.

전고체 배터리는 전해질이 고체이므로 구조적을 단단하여 안정적일 뿐만 아니라 전해질이 손상을 입어도 형태를 유지할 수 있어 리튬이온 배터리보다는 이론적으로 안정성이 우수한 배터리입니다.

 

전고체 배터리의 개발이유

2차 배터리는 현재 전기 자동차, 스마트폰 시장을 메인으로 전동공구, 전기자전거를 포함한 다양한 시장에 사용되고 있습니다. 2차 배터리 성능의 가장 중요한 키워드는 에너지 밀도와 사용시간 또는 주행거리일 것입니다.

전기 자동차가 내연기관차를 대체하기 위해서 관건이 되는 것은 배터리를 한번 충전 후 주행할 수 있는 주행거리가 가장 중요한 요인 일 텐데 주행거리를 늘리려면 배터리의 용량을 늘려야 합니다.

 

 

배터리의 용량을 늘리는 방법은 두 가지가 있는데

첫 번째는 배터리의 탑재 개수를 늘리는 방법이 있으나 무게가 증가하여 주행거리와 Trade off 관계가 성립되고 가격 상승, 공간 효율성 감소 등의 문제가 발생합니다.

두 번째는 배터리의 에너지 밀도를 높이는 것입니다. 에너지 밀도를 높인다는 말은 동일한 체적의 배터리에서 더 많은 에너지 량이 나온다는 의미이므로 배터리 개수나 공간이 늘어나지 않아도 더 긴 주행거리를 갈 수 있게 됩니다.

 

전고체 배터리는 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높은 것으로 알려져 있는데 그 이유는 폭발이나 화재의 위험성이 상대적으로 낮으니 관련된 부품을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 높일 수 있는 활물질을 더 넣을 수 있기 때문입니다.

에너지 밀도의 수준을 비교해 보면 리튬이온 배터리는 255Wh/kg 수준이고 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/kg으로 전고체 배터리가 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 1.9배 이상 높음을 알 수 있습니다.

다만, 전고체 배터리의 단점은 액체 전해질에 비해 이온 전도도가 낮아 고출력이 필요한 분야에는 적용이 어렵다는 의견도 있어 기술적으로 해결해야 하는 과제입니다.

 

전고체 배터리 시장전망과 개발동향 (Posco Newsroom 참조)

 

전고체 배터리 기술은 현재 개발단계이지만 개발 성공 시 전기 자동차 시장의 게임 체인저로 기대하고 있는 기술입니다.

세계 전고체 배터리 시장은 20년 약 6,160만 달러에서 27년 약 4억 8,250만 달러로 연평균 34.2%의 성장률을 보일 것으로 전망하고 있습니다. (출처: KIST ASTI 마켓 인사이트)

 

이러한 시장 성장 전망에 따라 국내 배터리 3사도 국내외 연구기관과 협력개발을 통해 전고체 배터리 상용화 개발에 박차를 가하고 있습니다.

LG엔솔은 미국 샌디에이고 대학과 협력개발을 진행하고 있으며 26년에 고분자계 전고체 배터리 상용화를 목표로 개발중이고 삼성 SDI는 삼성종합 기술원과 공동개발로 1회 충전 800km 이상 주행가능 기술을 확보했다고 발표했습니다.

SK온은 미국 솔리드파워와 전고체 배터리 공동개발을 진행 중이며 30년 이전에 황화물계 전고체 배터리 상용화 목표로 개발을 진행하고 있습니다.

 

전고체 배터리 상세설명 (Posco Newsroom)

 

위와 같이 최근에 핫한 2차 배터리 시장의 미래 게임 체인저가 될 수 있는 전고체 배터리 기술과 현황에 대해 알아보았습니다.

 

 

에너지 저장장치 (ESS)와 전기 자동차에 혁신적인 변화를 가져올 수 있을지 관심 있게 지켜보아야 할 것 같습니다.