꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리

요즘 전고체 배터리가 뜨거운 이슈로 떠오르고 있습니다.

먼저 국내에서는 정부가 '꿈의 배터리'라고 불리는 차세대 2차전지인 전고체 배터리의 세계 첫 상용화를 목표로 적극적인 지원에 나서겠다고 밝혔습니다. 산업통상자원부는 지난 20일 '2차전지 산업경쟁력 강화 국가전략'을 발표하며 전고체 배터리의 세계 최초 상용화를 목표로 민관이 2030년까지 20조원을 투자할 계획이라고 합니다.

 

정부가 전고체 배터리 상업화에 앞장서기로 한 가운데 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 3사의 시장 선점을 위한 경쟁도 더욱 치열해질 전망입니다.

 

국내 3사 가운데는 삼성SDI가 전고체 배터리 기술 개발에서 가장 앞선 것으로 평가됩니다. 삼성SDI는 수원 연구소 내에 전고체 배터리 파일럿 라인을 상반기 안으로 준공하고 시제품을 생산할 계획이고, 이어 2025년에 대형 셀 생산 기술을 개발하고, 2027년 양산에 들어간다는 목표를 세웠습니다. 삼성SDI는 황화물계 전고체 배터리를 개발하고 있다. 고체 전해질 소재와 리튬 음극재로 수명을 개선한 무음극 기술도 특징입니다. 지난달 3월에는 '인터배터리 2023'에서 전고체 배터리 모형을 공개하기도 했습니다.

 

LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계를 동시에 개발하는 '투 트랙' 전략을 추진하고 있습니다. 상대적으로 기술 난도가 낮은 고분자계 배터리를 우선 2026년에 양산하고, 2030년 이후 황화물계 배터리를 상용화한다는 계획입니다. 지난 2021년 LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고 대학교(UCSD)와 공동 연구로 기존 60도 이상에서만 충전할 수 있었던 기술적 한계를 넘어 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발하기도 했습니다.

 

SK온은 전고체 배터리 벤처기업인 미국 솔리드파워와 손잡고 황화물계 전고체 배터리를 개발 중입니다. SK온은 2021년 10월 미국 솔리드파워에 3천만 달러(약 350억원)를 투자했고, 2025년 황화물계 전고체 배터리 시제품을 개발, 2029년 양산에 들어가는 것이 목표입니다

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전고체 배터리란 무엇일까?

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성됩니다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있습니다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리입니다.

 

리튬이온 배터리 ( 좌 ) 와 전고체 배터리 ( 우 ) 의 구조

 

구조적으로 살펴보면 현재 사용하고 있는 대부분의 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 함께 있지만, 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신하고 있습니다.

 

리튬이온 배터리를 사용함에 있어 사용자들이 가장 우려하는 부분은 바로 안전성입니다. 현재의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시의 위험성이 존재합니다. 그래서 안전성을 높이기 위한 부품이나 장치들이 필요합니다.

 

이에 반해 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있습니다.

 

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전고체 배터리를 개발해야 하는 이유

 

전고체 배터리가 필요한 이유는 무엇일까요? 그것은 바로 전기차용 배터리 용량을 높여야 하기 때문입니다.

많은 시장조사기관에서는 앞으로 전기차가 내연기관차를 대체해 자동차업계의 주류로 성장할 것이라고 예측하고 있습니다. 그리고 전기차가 확실한 대세가 되기 위해서는 현재의 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하고, 이를 위해 핵심부품인 전기차용 배터리 용량을 증가시키는 것이 무엇보다 중요합니다.

 

배터리의 용량을 늘리는 방법은 두가지가 있는데 첫번째는 배터리의 개수를 늘리는 것입니다. 하지만 이 경우는 배터리 가격 상승과 공간 효율성을 저해시키기 때문에 실현하기 어렵습니다.

 

전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높습니다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채웠기 때문입니다.

 

전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤입니다.

 

 

 

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