전고체 배터리란? 전고체배터리 장점과 단점

 

전고체 배터리가 요즘 뜨겁습니다. 요즘 전고체 배터리라는 말을 많이 들어서 전고체 배터리 관련주에 투자해야 하는 이런 생각도 해보게 됩니다. 

 

그러기 전에 전고체 배터리에 대해서 제대로 어떤 것인지 알기 위해 전고체 배터리에 대해서 공부해 봤습니다.

 

전고체 배터리는 어떤 배터리이길레, 꿈의 배터리라고 불리며 왜 아직까지 전고체 배터리가 상용화되지 못하고 있을까요? 

 

 

전고체 배터리란?

 

기존의 배터리에서 많은 무게와 부피를 차지하고 있는 전해질이 액체상태에서 "고체상태"로 바뀐 배터리가 전고체 배터리입니다. 

 

배터리의 4대 소재는 양극, 음극, 분리막, 전해질입니다. 전고체 배터리로 바뀌면서 배터리의 구조도 크게 바뀌게 됩니다. 전통적인 리튬이온배터리와 전고체 배터리의 차이를 살펴보겠습니다.

 

◎ 리튬이온 배터리

 

전통적인 리튬이온 배터리는 좌우로 양극과 음극이 있고 가운데 분리막이 있습니다. 액체 전해질이 음극과 양극과 함께 있습니다.

 

◎ 전고체 배터리

전고체 배터리에는 전통적인 리튬이온 배터리에 있던 분리막이 사라졌습니다. 대신에 고체 전해질이 그 자리를 대신하고 있습니다.

전고체 배터리는 크게 고체 전해질의 성분에 따라서 고분자계, 산화물계, 황화물계로 구분할 수 있습니다. 

 

고분자계 전고체 배터리 : 생산은 쉽지만 이온전도도가 낮다

산화물계 전고체 배터리 : 안정성이 우수하나 이온전도도가 낮고 고온에 취약하다

황화물계 전고체 배터리 : 황화물계는 이온전도도가 높고 대용량에 유리하나 대량생산이 어려워 기술개발이 더 필요하다. 가장 유력한 차세대 전고체 배터리

 

 

전고체 배터리의 장점

 

1) 에너지 밀도가 높다

전고체 배터리는 일반 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 2배가량 급격하게 상승합니다. 전고체가 전통적인 리튬이온 배터리보다 공간 활용도가 높기 때문입니다.

액체보다는 고체가 더 밀도가 높아 에너지 활용성이 좋아질 뿐만 아니라, 부피적인 측면에서 더욱더 작게 소형화가 가능합니다. 

 

2) 안정적이다

폭발 위험성이 사라집니다. 리튬이온 배터리는 액체상태이기 때문에 온도변화에 따라서 배터리가 팽창되기도 합니다. 그래서 전기차의 경우 외부충격에 의해 종종 화재나 폭발이 있었습니다. 그러나 전고체 배터리는 온도변화에 따른 증발이나, 외부충격에 따른 누액이 없기 떄문에 극한의 외부조건에서도 정상적으로 작동이 가능합니다. 

 

3) 분리막이 없다.

전해질이 고체로 되어 있기 떄문에 양극과 음극이 접촉할 가능성이 없어져서 분리막이 사라집니다. 사라진 분리막 공간만큼 더 많은 전해질을 넣을 수 있습니다.

 

여기에 양극과 음극이 접촉하지 않는 것은 발화와 폭발 위험성 감소로도 이어지게 됩니다. 이는 냉각과 BMS 관련 부품들이 축소되게 됩니다.

 

더욱 배터리 소형화와 전고체로 모듈을 만들면 배터리에 들어가는 부품이 줄어드는 만큼 더 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.  

 

전고체 배터리가 핫한 이유

 

 

전고체 배터리가 지금 왜 핫할까요? 바로 내연기관 엔진 연료에서 전기차시대로 접어들고 있기 때문입니다. 꼭 전기차뿐만 아니라 수없이 많이 필요한 전자기기의 배터리가 필요합니다.

 

현재 전기차의 1회 충전 주행거리는 300km 정도밖에 되지 않는 수준입니다. 실제로 방전이 되면 배터리 용량도 급격하게 줄어들기 때문에 실제로는 그보다 더 적죠.

 

 

내연기관 자동차들은 연료를 한번 넣으면 500~600km 정도를 달릴 수 있는 것에 비교하여 불편한 점이 많습니다. 전기차의 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리 용량을 확대해야 합니다. 

 

뿐만 아니라 앞으로 자동차들이 자율주행차량으로 변모하게 되면, 차량의 데이터 사용 급증과 동시에 배터리 용량 급증이 필요합니다. 

 

현재 미국과 중국 한국과 일본을 비롯한 세계적인 회사들이 전고체 배터리 개발에 뛰어들고 있습니다. 

 

 

전고체 배터리의 문제점

 

 

전고체 배터리의 문제점은 역시나 기술적인 문제입니다. 많은 대기업들이 뛰어들고 있지만 바로 성과를내지 못하고 있습니다. 배터리에서 중요한 전기 이온이 액체보다 고체 전해질을 통해서 이동하는 것이 훨씬 어렵기 때문입니다.

 

1) 이동속도 문제

이온이 양극 사이를 이동하는 속도만큼 나와야 하는데, 이온 이동속도가 충분히 확보되지 않아서 전고체 배터리의 출력이 낮다는데 문제가 있습니다.

 

2) 이동 저항

액체 전해질은 액체상태이기 때문에 분자들이 서로 빈틈없이 접촉되어 있습니다. 그러나 고체상태에서는 고체 전해질끼리 완전히 접촉하지 않아서 이동 저항이 생깁니다. 이 또한 마찬가지로 전지 출력이 떨어지는 이유가 됩니다. 

 

3) 덴드라이트

덴드라이트란 리튬금속 표면에 쌓이는 결정체입니다. 덴드라이트가 쌓이게 되면 리튬이온 이동을 방해하여 충전이 잘 되지 않고 배터리 수명을 떨어뜨립니다.

 

현재 이 3가지 문제가 전고체 배터리를 개발하는데 큰 난제입니다. 이것을 가장 먼저 잘 해결하는 기업이 전 세계 배터리 시장을 싹쓸이해가지 않을까 싶습니다.