전고체 배터리 꿈의 전지 기술적 과제

전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하므로 리튬이온 배터리에 비해 많은 장점을 제공한다. 기존 상용화되어 있는 리튬이온 배터리와 비교한 전고체 배터리의 주요 특징 장단점, 상용화를 위한 기술적 해결 과제 순으로 알보 보겠다.

 

전기차 산업에서 전고체 배터리는 더 긴 주행 거리와 빠른 충전, 안전성을 동시에 제공할 수 있어 많은 기대를 받고 있다. 다만, 아직 상용화까지는 기술적 과제가 남아 있는 상태이며, 대량 생산이 본격화되면 배터리 혁명을 일으킬 것으로 기대되고 있다.

 

전고체 배터리 꿈의 전지 기술적 과제

 

 

전고체 배터리(Solid-State Battery)는 리튬 이온 배터리와 같은 기존의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리이다. 전해질은 배터리 내에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하는 데 중요한 역할을 하는 물질이다.

 

전고체 배터리는 기존 배터리의 단점인 안전성 문제, 충전 시간, 수명 문제 등을 획기적으로 개선할 수 있는 가능성이 있기 때문에 "꿈의 전지"라고 불린다.

 

1. 전고체 배터리 주요 특징 및 장점

전고체 배터리는 배터리의 과열 손상 시 폭발위험이 거의 없어 높은 안전성을 제공한다. 또한 에너지 밀도가 높아 리튬이온 보다 효율적으로 이동시키며, 작은 배터리에도 더 많은 전력을 저장할 수 있어서 전기차 주행거리 전자기기의 사용시간이 증가시키는 강점이 있다.

아울러 충전 방전 과정에서 물리적 변화가 적어 배터리 수명이 더 길어질 수 있고, 고체 전해질은 더 빠르게 충전이 가능하여 충전시간 단축이 가능한다는 장점이 있다.

 

리튬 이온 배터리와 전고체 배터리 특성을 비교하면 기술적 차이를 명확히 알 수 있다.

전해질 종류	액체 전해질	고체 전해질
에너지 밀도	중간~높음	더 높음 (잠재적으로 리튬 이온 배터리보다 우수)
안전성	발화 및 폭발 위험이 있음	가연성 없음으로 안전성이 뛰어남
이온 전도성	높은 이온 전도성 (액체 전해질로 빠른 이온 이동)	이온 전도성이 상대적으로 낮음 (기술 개선 필요)
충전 속도	빠름	빠를 수 있으나 아직 기술적 개선이 필요
온도 의존성	고온, 저온에서 성능 저하 가능	특정 온도에서 성능 저하 가능 (온도 의존성 개선 필요)
수명	충전과 방전 시 성능 저하 가능	이론상 더 긴 수명 (계면 안정성 문제 해결 필요)
비용	비교적 저렴하고 대량 생산 가능	고가, 대량 생산 기술 미비
대량 생산 가능성	이미 상용화되어 대량 생산 가능	아직 대량 생산 어려움
계면 문제	충전과 방전 과정에서 전해질 분해 및 열화 가능	계면 불안정성 문제로 성능 저하 가능
응용 분야	전기차, 스마트폰, 노트북 등 다양한 기기에 적용 가능	주로 전기차와 에너지 저장 장치에 높은 기대
주행 거리(전기차)	중간~높음	더 긴 주행 거리 가능
충격에 대한 내성	충격에 민감할 수 있음	물리적 충격에 더 강함
환경적 영향	리튬 채굴과 폐기물 관리 문제가 존재	친환경적으로 개선 가능성 높음
관련 기업	LG에너지 솔루션, 삼성SDI,파나소닉, CATL,BYD	삼성SDI,도요타,LG에너지솔루션, 솔리드파워, 퀀텀스케이프, 히타치

 

전고체 배터리 부분에서는 전고체 배터리 개발에 적극 투자 및 전고체배터리 탑재 전기차 출시계획을 발표하며, 선도기업 중 하나로 꼽히는 도요타를 비롯하여 LG에너지 설루션, 삼성 SDI, 솔리드파워(협력 BMW, FORD), 권텀스케이프(협력 폭스바겐), 히타치가 있다.

 

리튬이온 배터리시장에서는 글로벌 리더 중 하나로서 전기차 에너지 저장시스템(ESS)등 다양한 산업에 공급하고 있는 LG에너지 솔루션, 전기차와 모바일 기기를 위한 고성능 배터리를 생산하고 있는 삼성 SDI가 있다.

그 외 일본 기업으로는 테슬라와 협력하고 있는 파나소닉, 중국기업으로 빠르게 성장하며 강세를 보이는 CATL, BYD 등이 있다.

 

이들 기업은 각자 리튬이온 배터리와 전고체 배터리 기술을 발전시키고 있으며, 전기차, 에너지 저장, 전자기기 분야에서 경쟁력을 강화하고 있다.

 

2. 전고체배터리 기술적 과제

전고체 배터리가 꿈의 전지라고 하고 있지만 상용화를 위해서는 꿈의 전지로서 아직 대량 생산과 실용화에 이르기까지 극복해야 할 기술적 장벽등 해결해야 할 여러 기술적 과제가 남아 있다.

 

고체 전해질의 이온 전도성 문제

전고체 배터리는 리튬 이온의 이동을 도와주는 고체 전해질을 사용하지만, 현재 기술 수준에서 고체 전해질의 이온 전도성이 액체 전해질보다 떨어지는 경우가 많다. 이로 인해 배터리 성능이 낮아지거나 충전 속도가 늦어질 수 있다. 고체 전해질을 사용하면서도 이온 전도성을 최대화하는 연구가 진행 중이다.

 

계면 안정성 문제

고체 전해질과 배터리 양극, 음극 사이의 접촉면(계면)에서 발생하는 안정성 문제는 전고체 배터리의 성능 저하를 초래할 수 있다. 고체는 액체처럼 완벽히 밀착되기 어렵기 때문에 계면에서 발생하는 미세한 균열이나 접촉 불량이 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 계면 문제를 해결하는 것이 핵심 과제 중 하나이다.

 

온도 의존성

일부 고체 전해질은 특정 온도 범위에서만 안정적으로 작동하며, 고온 또는 저온 환경에서 배터리 성능이 저하될 수 있다. 특히, 전기차와 같이 다양한 온도 조건에서 작동해야 하는 응용 분야에서는 온도에 상관없이 안정적인 성능을 유지할 수 있는 고체 전해질 개발이 필요하다.

 

고체 전해질 소재 선택

전고체 배터리의 핵심은 고체 전해질의 소재 선택에 있는데, 현재 여러 종류의 고체 전해질(황화물, 산화물, 고분자 등)이 연구되고 있다. 각 소재마다 장단점이 있으며, 안정성과 전도성, 제조 공정의 난이도 등을 종합적으로 고려해 최적의 소재를 찾는 것이 도전 과제이다.

 

대량 생산 및 비용 문제

전고체 배터리의 제조 공정은 기존 리튬 이온 배터리보다 복잡하며, 고체 전해질을 사용한 배터리 생산은 여전히 고비용이 소요된다. 대량 생산을 위한 기술적 기반이 확립되지 않았기 때문에 상용화되기 전까지 제조 비용을 낮추고 생산 효율성을 높이는 것이 중요한 과제이다.

 

배터리 수명 및 안정성 문제

전고체 배터리의 이론적 수명은 기존 리튬 이온 배터리보다 길지만, 실험 단계에서는 아직 기대만큼의 긴 수명을 보장하지 못하는 경우가 많다. 충전과 방전 과정에서 구조적 변화나 계면에서의 불안정성으로 인해 성능이 점차 떨어질 수 있기 때문에 장기적인 안정성을 확보하는 것도 중요한 과제이다.

 

이러한 과제들이 해결되면 전고체 배터리는 기존 배터리보다 훨씬 뛰어난 성능과 안전성을 제공할 수 있으며, 전기차와 같은 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 일으킬 것으로 기대되고 있다.

 

파한하늘 흰구름 산과 잘어울려있다[사진=외설악 니해피DB]

 

리튬 이온 배터리는상용화되어 안정된 생산 및 공급망을 가지고 있지만 안전성과 수명에서 제한적인 부분이 있고, 전고체 배터리는 안전성, 에너지 밀도, 수명 등에서 혁신적인 성능을 기대할 수 있지만, 아직 기술적 과제와 생산 비용 문제가 해결되지 않았다.

전고체 배터리가 상용화되면, 리튬 이온 배터리를 뛰어넘는 성능을 제공할 가능성이 높다고 하겠다.

 

 

마치며...

전고체 배터리가 꿈의 전지로서 가지고 있는 특징과 장점 그리고 기술적 과제가 무엇인지 알아봄으로써 전기차 화재가 종종 발생하여 안전성에 많은 우려가 있는바 기술적 문제가 해결되어 안전과 경제 모두 성과가 이루어지는 날을 기대해 보았다.