전고체 배터리

전고체 배터리

전고체 배터리(Solid state Battery)는 액체 전해질 대신 고체를 사용한 배터리를 말합니다. 액체 전해질의 리튬 이온 배터리보다 훨씬 넓은 범용성, 짧은 충전 시간, 많은 전력량을 저장할 수 있기 상용화를 위해 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 이러한 의미에서 액체 전해질을 사용하지 않은 전고체 배터리는 리튬 배터리 기술의 종착지처럼 보입니다. 그러나 전고체 배터리의 수많은 장점에도 불구하고 현재까지 시장 진입이 지연되는 한계도 있습니다. 전고체 배터리가 무엇이며 어떻게 작동하는지 장단점은 무엇인지 등에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

 

목차

리튬 이온 배터리와 차이점

가. 리튬 이온 배터리 구조

나. 전고체 배터리 구조

전고체 배터리 작동원리

전고체 배터리의 장점

가. 안전성

나. 높은 에너지 밀도

다. 초고속 충전

라. 빠른 생산

전고체 배터리의 한계

가. 안정성 문제

나. 고온에서만 작동되는 분리기

다. 짧은 수명주기

라. 고비용

전고체 배터리 적용 시기 및 분야

 

리튬 이온 배터리와 차이점

전고체 배터리는 기본적으로 리튬이온 배터리의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술입니다. 따라서 전고체 배터리에 대해 설명하려면 리튬 이온 배터리의 세부적인 작동 방식과 전고체 배터리와의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.

 

 

 

 

가. 리튬 이온 배터리 구조

아래 그림은 리튬 이온 셀의 구조입니다.

 

• 두개의 전극 : 두 개의 전극 사이에 리튬 이온이 들어가 있으며, 양극과 음극으로 나뉩니다.
• 양극 : 양극 물질(리튬, 니켈, 망간, 코발트 등)로 만들어진 배터리의 양극과 집전체
• 음극 : 음극 물질(탄소, 흑연, 실리콘 등)로 만들어진 배터리의 음극과 집전체
• 중앙 분리막 : 양극과 음극 사이의 기계적 분리와 절연체 역할을 하는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 층
• 전해질 : 이온이 이동하는 리튬염을 함유한 액체로 양극과 음극 사이의 연결 고리 역할

리튬이온 배터리에서 중앙 분리막은 절연 외에 다른 기능은 없습니다. 액체 전해질의 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하는 실제 매질이 되며, 음극은 흑연 구조로 만들어집니다.

 

나. 전고체 배터리 구조

전고체 배터리의 셀 내부는 모두 고체이기 때문에 리튬 이온 배터리와는 구조가 다릅니다.

 

• 양극 : 리튬 이온 배터리(예: LFP, NMC, LMO 등)와 동일한 화합물
• 분리막 : 일반적으로 세라믹 또는 고체 폴리머로 전해질로 작동
• 음극 : 리튬 금속(순수 리튬)으로 만들짐

분리막은 절연기능과 전해질 역할을 동시에 합니다. 이온이 이동하는 매체도 되고 절연 특성도 가지며 양극과 음극 사이의 기계적 분리 역할을 합니다. 이러한 견고하고 저항력 있는 지지대가 있다는 사실은 양극 부분의 흑연 구조를 제거할 수 있게 하고 리튬 금속이 양극에 직접 축적되도록 합니다. 전해질이 겔 형태인 반고체 용액도 개발되고 있습니다.

 

전고체 배터리 작동원리

충전 중일 때 리튬 입자는 분리막을 형성하는 원자 구조를 통해 음극에서 이동한 다음 분리막 자체와 양극의 전기 접점 사이로 이동하여 순수 리튬의 고체층을 형성합니다. 이에 따라 양극은 리튬 입자로만 형성되며 흑연 구조를 포함하는 리튬 이온 배터리의 양극보다 작은 부피를 갖게 됩니다.

 

전고체 배터리의 장점

이론적으로 전고체 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 많은 장점이 있습니다. 전고체 배터리의 고체 전해질은 작은 부피로 더 큰 에너지 밀도, 더 긴 수명, 더 큰 안전성을 제공할 수 있습니다.

 

가. 안전성

전고체 배터리에는 액체 전해질이 없습니다. 리튬 이온 배터리에서 액체 전해질은 휘발성과 가연성으로 안전성 측면이 가장 큰 위험요소입니다. 전고체 배터리는 다양한 첨가제가 포함된 세라믹 구성을 갖기 때문에 기계적으로 고온에 더 잘 견디는 재료로 형성된 두꺼운 분리막 층으로 대체됩니다. 이는 양극과 음극 사이의 분리를 보다 안정적으로 만들어 전지의 본질적인 안전성이 향상됩니다.

또한, 리튬은 특성상 이동할 때 규칙적으로 이동하지 않으며 극단적인 경우 분리막을 뚫고 나갈 수도 있습니다. 그러나 고체 분리막은 리튬 이온의 관통에 대한 저항력이 더 커서 배터리 셀의 열화를 방지할 수 있습니다.

 

나. 높은 에너지 밀도

금속으로 된 양극을 사용하면 에너지 밀도가 크게 증가합니다. 이는 본질적으로 흑연 구조의 양극이 제거되기 때문입니다. 전고체 배터리에서는 이온 이동 과정에서 이온만 남고 에너지 생성에 도움이 되지 않는 부피가 크고 무거운 화합물은 제거됩니다. 최신 연구에서 전고체 배터리는 현재 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 2 ~ 2.5배 높으며, 이에 따라 배터리는 가볍고 작아질 수 있습니다.

 

다. 초고속 충전

최신 연구에서 전고체 배터리는 현재 리튬 이온 배터리보다 최대 6배까지 빠르게 충전할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 상용화 이전의 수치로 불확실하며 어떻게 기술 개발이 되는지 지켜볼 필요가 있습니다. 현재까지 확실한 것은 액체 전해질은 고온에서 열화 현상 등의 어려움을 겪는 경향이 있지만, 고체 전해질은 고온에서 성능이 더 높아지며 이것은 고속 충전 성능을 뒷받침할 것이라는 점입니다.

 

라. 빠른 생산

현재 배터리 셀에 전해질을 채우는 작업은 많은 시간이 필요합니다. 배터리 셀은 빈 상태로 조립되고, 전해질을 채울 수 있도록 구멍이 있으며 전해질이 채워질때까지 기다려야 합니다. 이 후 안전한 수준으로 밀봉해야 합니다.

일부 연구원들은 고체 전해질은 위와 같은 공정이 없어 더 빠른 생산이 가능하다고 주장합니다. 그러나 이 이론은 이해할 수는 있지만 아직 입증할 수 없으며, 실제로 대량 생산될 때만 생산 속도가 입증될 것입니다.

 

전고체 배터리의 한계

가까운 미래에 전고체 배터리는 상용화 되어 차량의 성능과 효율성을 높이고 자동차 산업의 전기화 부문에 혁신이 될 것입니다. 그러나 전고체 배터리의 시장 진입은 아직 이루어 지지 않고 있습니다. 최신 연구에 의해서 많은 장점이 있는 것처럼 보이지만 이 기술은 아직 준비 되지 않았고 초기 단계이기 때문에 한계도 명확합니다.

 

가. 안정성 문제

충전과 방전 과정에서 전고체 배터리 셀은 마치 숨을 쉬는 것 처럼 부피가 변합니다. 리튬금속 음극의 두께는 충전 중에는 두꺼워지고, 방전 중에는 두께가 얇아지는데, 이러한 불안정성은 결국 열화 현상이 발생할 수도 있게 됩니다.

가장 큰 문제는 고체 배터리 셀을 고정하고 동시에 압축하는 것이 어렵다는 것 입니다. 내부 레이어가 분리되지 않도록 셀을 압축해야 하지만, 지속적으로 호흡해야 하기 때문에 압축하여 고정하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 따라서 복잡한 기계적 구조를 만들어야 합니다.

현재 개발된 탁상형 전고체 배터리 프로토타입은 판에 스프링이 설치되어 압축 및 고정 상태로 유지하는 것이 가능하지만 대량 생산할 수 없는 복잡하고 비싼 시스템입니다.

 

나. 고온에서만 작동되는 분리기

이온은 물질이자 원자이므로 액체에서 더 쉽게 움직이는 것이 훨씬 합리적입니다. 전고체 배터리의 고체(세라믹 분리기) 분리막에서는 이온이 자유롭게 움직일 수 있도록 특별하게 구성하여야 합니다. 현재 개발 진행중인 고성능 분리막은 고온에서만 가능합니다. 고체 전극은 50도 이상의 온도에서만 전도체가 되기 때문입니다. 이러한 한계로 배터리가 항상 뜨거워야 하고, 이것은 아직 상용화를 할 수 없다는 의미이기도 합니다.  고체 전해질이 낮은 온도에서도 작동하도록 기술 보완이 필요한 상태입니다.

 

다. 짧은 수명주기

현재 테스트 중인 전고체 배터리의 수명 주기는 약 4,000회 이상의 충전이 가능한 리튬 이온 배터리보다 훨씬 짧습니다. 기술적 요인으로 모든 세라믹 층 사이의 접촉 상태가 균일하지 않다는 것입니다. 층간의 접촉이 불량하면 배터리 셀의 용량과 성능이 손실됩니다.

 

라. 고비용

아직 기술 개발 단계인 전고체 배터리의 생산 비용과 가격은 매우 높은 상태입니다. 만약 시장에 출시되어 양산된다면 현재 생산 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것 입니다.

 

 

전고체 배터리 적용 시기 및 분야

위에서 살펴본 것 처럼 전고체 배터리는 해결해야 할 몇 가지 문제가 있지만 상용화가 거의 확실해졌으며 2025년 안팎으로 출시가 예상됩니다. BMW는 전고체 배터리 양산시점이 2026년이라고 발표하기도 하였습니다. 현재 LG에너지솔루션, 삼성SDI, 중국CATL, 일본의 파나소닉 등이 전고체 배터리를 개발 중입니다.

전고체 배터리는 전기차 분야에 우선적으로 적용될 것입니다. 이론적으로 에너지 밀도가 두 배 이상이기 때문에 전고체 배터리를 사용한 자동차의 주행 거리는 두 배로 늘 것입니다. 전기를 사용하는 대형 운송 수단과 에너지 집약적인 산업기계 분야에도 적용될 것입니다. 이러한 기계는 광범위한 주행 거리와 동력을 필요로 하고 현재까지의 배터리는 필요로 하는 양보다 훨씬 적습니다.