이차전지의 차세대 해결책: 전고체 배터리

서론

에너지 저장기술 중 리튬이온배터리(Lithium Ion Battery, LIB) 시장이 빠르게 성장하고 있다. 하지만 최근 배터리 업계 전문가들은 액체전해질을 사용하지 않고, 고체상태의 전해질을 사용하는 전고체배터리(Solid-state Battery)에 집중하고 있다. 전고체배터리는 기존의 LIB와 달리 구조적으로 단단해 안정적이고, 훼손이 있더라도 본래의 구조를 유지해 안전하다는 장점이 있다. 따라서 기존의 LIB와 전고체배터리의 차이점을 위주로 소개하고, 이와 더불어 전고체배터리 시장의 동향을 간략하게 소개하고자 한다.

전고체 배터리의 소개

LIB의 핵심 소재는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성된다. 우리가 흔히 알고 있는 스마트폰이나 전기차 등에 사용되는 LIB는 액체 상태의 전해질을 사용한다. 이와 다르게 전고체 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하지 않고, 고체 상태의 전해질을 사용하는 이차전지이다.
내부 구조적으로 LIB에는 두 전극의 접촉을 방지하고 리튬이온을 전달하기 위한 분리막이 가운데에 위치하며, 액체 전해질이 채워져 있다. 이와 다르게 전고체 배터리는 액체 전해질과 분리막의 역할을 대신해서 고체 전해질이 가운데에 위치하는 구조이다.
LIB는 액체 전해질의 사용으로 온도 변화에 민감하여 배터리가 팽창할 수 있고, 음극의 덴드라이트(dendrite) 형성으로 수명과 안정성이 하락하거나 폭발할 수 있다. 이처럼 LIB의 가장 큰 문제점은 안정성이다. 하지만 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하기에 부피팽창이 적으며, 덴드라이트가 발생하더라도 양극과 음극이 맞닿지 않아 상대적으로 안전하다고 평가되고 있다. 

전고체 배터리의 에너지적 장점

전고체 배터리가 차세대 배터리로 주목받는 이유는 안전성뿐만 아니라 고용량의 에너지 저장이 가능하기 때문이다. 여러 에너지 전문가 및 자동차 전문가들은 전기차가 내연기관을 대체해 이동수단의 주류로 성장할 것이라 예측한다. 하지만 전기차가 내연기관을 대체할 수 있으려면, 내연기관 수준의 주행거리를 구현해야 하고, 이를 위해 배터리의 용량을 증가시켜야 한다는 과제가 있다. LIB의 언급한 특성에 따라 안정성과 관련된 부품이 상당히 포함되어 있는데, 전고체 배터리는 이런 부품들을 줄이고 양극 활물질, 음극 활물질을 채워 용량을 늘릴 수 있다. 따라서 전고체 배터리를 실제 전기차에 이용한다면 부피당 에너지 밀도를 늘릴 수 있기에 용량을 높여야 하는 과제를 풀어낼 수 있다. 또한, 최근 회사들의 발표에 의하면, 몇 시간가량 충전해야 하는 LIB에 비해 전고체 배터리는 상대적으로 짧은 시간에 충전이 가능하다. 

전고체 배터리의 시장동향

전고체 배터리의 개념은 1980년대부터 제시되었지만, 여러 단점으로 인해 한동안 주목받지 못하였다. 2010년대에 와서 일본의 도요타社가 황화물계 전해질의 시제품을 내놓은 뒤로 다시 주목받고 있다. 도요타社에서 2012~2014년에 출원한 전지관련 특허 중 68%가 전고체 배터리인 점은 주목할 필요가 있다. 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 3종류의 소재가 주목받고 있고, 일본에서 주로 연구하는 황화물계 전해질이 가장 앞서 나가며, 유럽에서는 산화물계 전해질을 주로 연구한다. 
현재 전기차 배터리 세계점유율 1위인 LG에너지솔루션과 더불어 경쟁력 있는 삼성SDI, SK이노베이션 등을 보유한 대한민국은 세계적으로 전기차 배터리의 중심국이라 할 수 있다. 지난 3월, 삼성 SDI는 수원시 영통구에 전고체배터리 시범생산라인을 착공했다. 2023년에는 시범생산라인을 가동하고, 2025년에 시제품 공개 예정이며, 2027년에는 양산 및 상용화하는 것이 목표이다. 언급한 대한민국의 주요 배터리 회사 중 시범생산라인을 착공한 회사는 삼성 SDI가 유일하다. 지금까지는 전고체 배터리를 랩수준에서 시제품을 만드는데 그쳤지만, 시범생산라인이 완공되면 고체 전해질 공정 설비 및 전지 전용 극판 등을 도입하여 대량 시범생산이 가능해져 R&D도 가속될 것으로 전망된다. 한편, LG에너지솔루션과 SK이노베이션은 2030년에 양산을 목표로 기술개발 중이다.

참고문헌

[1] KIM, Gyeong-Su. 고에너지 이차전지의 안전성 향상을 위한 고체전해질 및 전고체전지 연구 개발 동향. Electrical & Electronic Materials, 2017, 30.7: 20-31.
[2] SUN, Chunwen, et al. Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries. Nano Energy, 2017, 33: 363-386.