세계가 집중하고 있는 새로운 배터리, 전고체 배터리

리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 차이점

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질 4가지 요소로 구성된다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 리튬이온 배터리가 사용되고 있다. 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하는 배터리이다.

 

리튬이온 배터리와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태이다. 먼저 구조적으로 살펴보면, 대부분의 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 함께 있지만, 전고체 배터리는 고체 전해질이 분리막 역할까지 대신하고 있다.

 

< 출처 : Adobe Stock, https://stock.adobe.com/kr >

 

리튬이온 배터리를 사용할 때 사용자들이 가장 우려하는 부분은 안전성이다. 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화에 따른 배터리 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 위험성이 있다. 그래서 리튬이온 배터리는 안전성을 높이기 위한 부품이나 장치가 필요하다.

 

반면, 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하여 구조적으로 단단해 리튬이온 배터리보다 안정적이다. 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있다.

 

또, 보통 배터리 용량을 늘리기 위해서는 배터리의 개수를 늘렸다. 하지만 이 경우는 배터리 가격 상승과 공간 효율성을 저해시킨다는 단점이 있다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높다. 폭발이나 화재 위험성이 낮아 배터리 안전 관련 부품을 줄이고, 그 공간에 배터리 용량 증가 활물질로 채웠기 때문이다.

 

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전고체 배터리 개발 필요성

많은 조사기관에서 앞으로 전기차가 내연기관차를 대체해 자동차 업계 주류로 성장할 것이라 예측하고 있다. 이 때문에 전기차는 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하고, 핵심부품인 전기차용 배터리 용량도 증가해야 하기 때문에 전고체 배터리 개발이 필요하다.

 

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전고체 배터리 개발 동향

전고체 배터리는 전기차 업체 요구에 맞춰 제조 원가를 줄이면서 에너지 성능은 올리고 안전성까지 갖춘 배터리라고 볼 수 있기 때문에 많은 국내외 유관 기업에서 주의 깊게보고 있는 기술이다.

 

특히 국내에서는 LG에너지솔루션은 2027년 양산 목표로 전고체 프로젝트 3개 팀을 신설했고, 삼성SDI는 2027년 양산, 2025년 시제품 공개를 목표로 SDI연구소 전고체 배터리 전담 조직을 구축하였다. 또한, SK이노베이션은 2030년 양산을 목표로 대전 연구소에 차세대 배터리 조직을 구성했다.

 

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우려되는 점과 해결방안

고체 전해액은 액체 전해액보다 리튬이온을 전달하는 능력이 부족하다. 때문에 리튬 이온 전달 능력을 높이는 연구가 더 필요하다. 또한, 전도성을 높이기 위해 고체 전해액끼리 맞닿는 곳에 생기는 계면 저항 감소 관련 연구도 필요하다.

특히 가장 많이 사용되는 황화물 전해질 전고체 배터리의 경우, 배터리 사용 중 유해가스가 발생하여 환경오염이 염려되는 부분이다.

 

계속된 전고체 배터리 연구를 통하여 환경 보존과 세계를 선도할 미래 배터리 기술이 개발되어야 한다. 또한 정부에서는 환경 보호를 위하여 전고체 배터리 제작과 사용에 대한 적절한 법적 규제를 만들어야 할 것이다.

 

[출처]

- "“일본보다 먼저 전고체 배터리 상용화”…K-배터리 어디까지 왔나", <전자신문>, 2021.06.16.

- "전고체 배터리, 10년뒤 9조원대 시장으로 성장", <THEELEC>, 2021.06.23.

- 삼성SDI 홈페이지, https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56461.html?listType=gallery