[알아봅시다②]전고체 배터리가 '꿈의 배터리'인 이유

최희정 입력 2022. 9. 12. 06:30
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국내 배터리 업체들이 '꿈의 배터리'로 불리우는 전고체 배터리 개발에 총력전을 펴고 있다.

전고체 배터리는 배터리 내에서 음극과 양극을 오가며 전기를 발생시키는 리튬이온의 이동통로인 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 것을 뜻한다.

구조적으로 살펴보면 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 있고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 섞여 있지만, 전고체 배터리는 분리막이 없고 고체 전해질이 분리막 역할을 대신한다.

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[서울=뉴시스] 파우치형 배터리인 LG에너지솔루션(맨 왼쪽) 및 SK이노베이션(가운데) 배터리와 각형 배터리인 삼성SDI배터리 (사진=각사 취합) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 최희정 기자 = "1회 충전으로 최대 800㎞를 달릴 수 있고, 1000회 이상 충방전이 가능해진다"

국내 배터리 업체들이 '꿈의 배터리'로 불리우는 전고체 배터리 개발에 총력전을 펴고 있다.

전고체 배터리는 배터리 내에서 음극과 양극을 오가며 전기를 발생시키는 리튬이온의 이동통로인 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 것을 뜻한다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기차 등에 사용되고 있는 리튬이온 배터리의 전해질은 액체로 돼 있다.

전기차 주행거리가 늘어나려면 배터리 용량을 높여야 하는데, 이에 배터리업계는 에너지밀도를 높이는 쪽으로 연구해왔다.

전고체 배터리는 리튬이온 배터리에 비해 에너지밀도가 높다. 폭발이나 화재의 위험성이 거의 없어졌기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 배터리 용량을 늘릴 수 있는 소재들을 채웠기 때문이다. 그만큼 배터리 내부의 공간 활용도가 높다고 볼 수 있다.

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

전고체 배터리, 리튬이온 배터리와 어떻게 다를까

완성차업체도 전고체 배터리에 관심

[서울=뉴시스]리튬이온 배터리(왼쪽)과 전고체 배터리의 구조 (이미지=삼성SDI 제공)
기존 리튬이온 배터리의 4대 구성 요소는 양극, 음극, 분리막, 전해질이다. 양극과 음극 사이를 리튬이온이 이동하면서 전기를 발생시킨다.

구조적으로 살펴보면 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 있고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 섞여 있지만, 전고체 배터리는 분리막이 없고 고체 전해질이 분리막 역할을 대신한다.

전고체 배터리는 리튬이온 배터리에 비해 에너지밀도가 높을 뿐 아니라 전해질이 고체인 만큼 외부 충격에 강하고 온도 변화에도 강해 화재 위험도 낮다.

리튬이온 배터리를 사용할 때 사용자들이 가장 우려하는 것은 바로 안전성이다. 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화에 따른 배터리 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시 화재나 폭발 등의 위험성이 존재한다.

반면, 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 훼손되더라도 그 형태를 유지하기 때문에 안전성이 높다.

[서울=뉴시스]리튬이온 배터리(왼쪽)과 전고체 배터리의 구조 (이미지=삼성SDI 제공)
전고체 배터리는 현재 선행 연구개발 단계이지만 많은 배터리·소재 업체들은 물론, 완성차 업체들까지 개발에 뛰어들고 있다.

토요타와 폭스바겐은 2025년 양산을, 현대차와 BMW는 각각 2025년 시범 생산 및 2030년에 양산을 하겠다고 밝힌 바 있다. GM(제너럴 모터스)도 2030년 본격 양산을 목표로 두고 있고 포드 또한 차세대 배터리 내재화를 선언했다.

이들 기업들의 투자 및 제휴도 활발하다. 상당수 국내외 완성차 업체들이 전고체 배터리 개발사들과 협업을 하고 있다.

국내 배터리 3사의 경우, LG에너지솔루션은 고분자계 전고체 배터리 2026년, 황화물계 전고체 배터리는 2030년 상용화를 목표로 한다. 삼성SDI는 2027년, SK온은 2030년까지 각각 상용화 한다는 목표다.

국내 배터리 업계는 아직 리튬이온 배터리를 대체할 만한 수준의 개발이 이뤄지지 않았다. 특히 현재로서는 수명이 낮고 가격은 비싸다는 문제점을 안고 있어 단기간에 전고체 배터리를 상용화하는 것은 쉽지 않다.

업계 관계자는 "전고체 배터리에는 고분자계, 황화물계, 산화물계가 있는데, 고성능에 근접한 것은 황화물계로 고분자계는 전고체 배터리보다 성능이 떨어진다"며 "황화물계 전고체 배터리 대량 생산은 이르면 2020년 후반이나 2030년이 되어야 가능할 것"이라고 말했다.

☞공감언론 뉴시스 dazzling@newsis.com

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