'전고체 배터리' 란?
전고체 배터리(All-Solid-State Battery)는 전지의 주요 구성요소(양극, 음극, 분리막, 전해질)가 모두(全) 고체로 되어있는 이차전지를 말합니다. 현재 사용하는 대부분의 리튬이온 배터리는 액체나 겔(Gel) 상태의 전해질을 사용하고 있습니다. 전고체 배터리의 전해질은 고체 상태입니다.
리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 함께 있지만, 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신하게 됩니다.
이를 통해서 배터리의 안정성과 에너지 밀도를 올릴 수 있습니다.
리튬이온 배터리의 액체, 겔 상태의 전해질은 온도에 따라 동파, 기화, 팽창하거나 외부 충격으로 전해질이 누출되면 폭발 및 화재로 이어집니다. 반면 전해질이 고체인 전고체 배터리는 온도 변화와 외부 충격에 따른 화재, 폭발 위험이 현저히 감소합니다.
또 전고체 배터리는 배터리의 에너지 밀도를 향상시키는 데 용이합니다.
리튬 이온 배터리에는 양극과 음극의 접촉을 막는 분리막이 따로 있는데, 전고체 배터리 경우 고체 전해질이 분리막의 역할까지 수행할 수 있습니다. 고체 전해질 자체로 배터리의 폭발·화재 위험성이 사라지기 때문에 분리막을 비롯한 안정성 관련 부품들을 줄이는 대신, 배터리 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채워 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.
전고체 전지의 특징
- 안전성 우수 (화재 및 폭발 가능성 낮음)
고체 전해질을 사용해서 고온에서도 내부 압력 발생이 없어 안정
- 소형화 용이 (냉각장치 불필요해 전지의 사이즈 줄어듦)
- 수명 향상 (고체 전해질 사용 시 액체 전해질에 비해 부반응[Side Effect]이 적음)
- 에너지 밀도 향상 (음극 리튬금속 사용)
해결해야 할 기술적 문제
고체 전해질은 액체 전해질에 비해 리튬 이온의 이동 속도가 느리기 때문에 배터리 출력이 낮아질 수 있습니다.
낮은 이온 전도도를 개선하기 위해 황화물, 산화물, 폴리머 등 다양한 고체 전해질에 관한 연구가 진행되고 있지만 기존 액체 전해질과의 성능 차이는 여전히 존재합니다.
충방전시 리튬금속(음극재) 표면에 덴드라이트(Dendrite)가 생성될 수 있습니다. 이는 리튬이온의 이동을 방해하여 충방전효율 저하와 수명 단축을 초래합니다.
*덴드라이트 리튬금속 표면에 나뭇가지 모양으로 쌓이는 결정체입니다.
전고체 배터리 개발
전고체 배터리는 아직 연구 개발(R&D) 단계에 있지만, 이미 다수의 글로벌 배터리, 완성차 업체가 선제적인 연합 전선 구축에 나서고 있습니다. 전고체 배터리는 1990년대 중반 일본에서 처음 고안되고 2000년대 초부터 연구되다가 가격, 성능상의 문제로 상용화되지 못했습니다.
일본 도요타는 일찍이 2008년에 배터리 연구소를 출범했었고, 2019년 1월 파나소닉과 합작 법인을 설립하여 전고체 배터리 전기차를 개발하고 있습니다. 당초 2020년 도쿄올림픽에서 전고체 배터리를 사용하는 자율주행 버스를 운행할 계획이었으나 올림픽이 연기되면서 공개일정이 지연되었습니다. 충, 방전시 여러 문제로 인해 출시 시기가 2025년 이후로 연기될 것이라는 전망도 존재합니다.
국내에서는 2017년부터 기아와 현대차가 자체적인 전고체 배터리 개발에 착수한 가운데, 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK이노베이션 등 배터리 3사와 협업할 가능성도 거론되고 있습니다.
2013년부터 전고체 배터리 개발 계획을 소개해 왔던 삼성SDI는 전고체 배터리 양산 시점을 2027년 이후로 잡고 있고, LG에너지솔루션은 2025년 전고체 배터리 샘플 개발을 목표로 하고 있습니다.
미국 콜로라도대학교 연구팀에서 시작한 솔리드파워(Solid Power)의 경우 BMW, 포드, 삼성, 현대 등의 투자를 유치했고 2023년 전고체 배터리 양산, 2028년 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 양산하겠다는 목표를 가지고 있습니다.
중국에서는 칭타오에너지가 전고체 배터리를 개발하고 있고 칭화대학으로부터 1.4억 유로를 투자받아 2018년 말 100MWh 규모의 전고체 전지 파일럿 생산공장 건설을 완료했습니다. 중국 전기차 스타트업 니오(Nio)와 이노베이트(Enovate)는 대만 배터리 업체 프롤로지움(ProLogium)과 전고체 전지를 탑재한 전기차를 개발 중입니다.
애플의 위탁 생산 업체인 대만 폭스콘도 2024년 출시를 목표로 전고체 배터리를 개발하고 있습니다.
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