전고체 배터리 뜻 장단점 상용화 개발상황 (전고체VS리튬이온)

 

 

 

전고체 배터리 뜻 장점 상용화 개발상황 (전고체VS리튬이온)

전기차의 단점은 내연기관 자동차에 비해 짧은 주행거리, 긴 충전 시간, 안정성 등이 꼽힙니다. 이 문제는 '배터리'에서 비롯됩니다. 현재 기술로는 이 문제를 단숨에 해결하기란 쉽지 않습니다.

​

그래서 전기차 배터리에 논할 때 함께 언급되는 것이 바로 '꿈의 배터리'라고 불리는 전고체 배터리인데요. 이번 글에서는 전고체 배터리란 무엇이며, 현재 전기차에 사용되고 있는 리튬이온 배터리와의 차이점 등에 대해 정리해 보겠습니다.

 

 

 

1. 전고체 배터리
2. 현재 사용하고 있는 액체 전해질 배터리의 문제
3. 장점(주목받는 이유)
4. 상용화를 위해 해결해야 할 문제
5. 전기차 배터리 시장 규모와 전고체 개발 상황

 

 

 

[서울=뉴시스] 현대차·기아의 전기차 배터리 관리 시스템(BMS) 개념도

 

 

 

 

 

 

전고체 배터리(Solid State Battery)

전고체 배터리란 액체 전해질을 고체로 대체한 배터리를 말합니다.

​

배터리의 양극과 음극 사이를 오가는 액체를 전해질이라고 합니다.

​

전자와 이온이 전해질을 거쳐 양극과 음극을 오가며 전기 에너지를 받아들이거나 방출하는 과정을 거치는데, 이를 충전과 방전이라고 합니다.

​

전고체 배터리는 액체 전해질과 양극, 음극을 분리하는 분리막을 고체로 대체한 것을 가리켜 '전고체' 배터리라고 부릅니다.

 

출처=포스코퓨처엠

 

 

 

 

 

현재 사용하고 있는 액체 전해질 배터리의 문제

현재 전기차에서 가장 큰 비중을 차지하는 2차전지(충전해서 반영구적으로 사용하는 전지)에는 리튬이온배터리가 있습니다.

​

위에서 언급한 충전과 방전을 위해서는 배터리를 구성하는 양극재와 음극재, 양극과 음극 사이의 분리막, 전해질의 역할이 중요한데요. 현재 보편적으로 사용하는 리튬이온배터리의 경우 외부 온도가 낮아지면 성능이 저하되고 에너지 밀도가 낮으며 불안전하다는 단점이 있습니다.

​

이러한 단점은 전해질이 액체 성분으로 구성되어 있기 때문입니다. 액체 전해질은 외부 온도가 낮아지면 물이 어는 것처럼 굳기 때문에 양극과 음극을 오가는 전자와 이온의 움직임도 둔해집니다. 따라서 온도 변화에 따라 부피가 크게 변하는 액체의 특성상 배터리 팽창, 외부 충격으로 인한 누유 현상, 폭발 등의 위험이 높습니다.

​

액체는 고체보다 동일 부피당 밀도가 낮기 때문에 액체 전해질을 사용하는 배터리 또한 에너지 밀도가 낮습니다. 때문에 현재 기술력으로는 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 배터리 팩의 부피를 무한정 키우는 방법밖에 없습니다.

 

 

 

 

장점(주목받는 이유)

전고체 배터리가 꿈의 배터리로 불리며 주목받는 이유는 위에서 언급한 기존의 액체 전해질 기반의 배터리가 가진 문제점을 모두 해결할 수 있기 때문입니다.

 

 

한 예로 기존 배터리에서 양극과 음극 사이의 액체 전해질이 흐르는 것을 막기 위한 분리막과 안전장치가 전고체 배터리에서는 필요 없습니다. 따라서 분리막과 안전장치가 사라진 자리에 고체 전해질로 채워 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는데요. 이는 여러 장점으로 이어집니다.

​

​

• 물리적·화학적 안정성 : 온도 변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험 없음
• 높은 에너지 밀도 : 냉각 및 안전 부자재를 줄일 수 있어 배터리 팩의 에너지 밀도 향상
• 높은 출력 : 충전 및 방전이 고채 내 리튬이온 확산으로 즉각 반영
• 외부 온도에 상관없는 안정적 성능 : 액체 전해질을 사용하지 않아 한겨울 등 저온에서 높은 이온전도가 가능

​

​

이러한 이유로 전기차가 가지고 있는 문제를 모두 해결할 수 있는 꿈의 배터리로 불리는 것입니다.

 

 

 

상용화를 위해 해결해야 할 문제

전고체 배터리가 리튬이온배터리의 최대 약점인 안정성을 개선할 유망 기술임은 확실하지만, 상용화를 위해서는 해결해야 할 숙제가 많습니다.

​

고채 전해질은 액체 전해질보다 상온(15~25℃)에서 전자와 이온의 이동, 즉 이온전도도가 낮다는 문제가 있습니다. 저온과 고온에서의 이온전도도 변화의 폭이 크지 않지만, 정작 상온에서의 성능이 낮을 수도 있다는 뜻입니다. 예로 상온에서 필요한 스마트폰과 같은 IT 기기의 성능이 저하될 수도 있습니다​.

​

따라서 전해질의 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서 저항을 최소화해야 하는 기술적 과제를 해결해야 하는 상황입니다.

 

 

 

전기차 배터리 시장 규모와 전고체 개발 상황

 

 

 

전기차 보급률이 높아짐에 따라 업계에서는 배터리의 안정성과 효율을 향상시키기 위한 연구 개발이 한창입니다.

​

현재 국내 배터리 업체들은 액체 전해질 기반의 리튬이온배터리는 세계적인 기술력을 자랑하고 있지만, 전고체 배터리 등 차세대 분야에서 뒤처져 있다는 평가입니다. 그럼에도 불구하고 전기차 시장의 지속적인 성장 예측, 전고체 배터리의 활용 가능성 때문에 많은 업체들이 미래를 위해 투자하고 있습니다.

​

업계에서 유일하게 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 모두 개발 중인 LG에너지솔루션은 2026년 고분자계, 2030년 황화물계 배터리를 각각 상용화한다는 목표이며, 삼성SDI와 SK온은 2027년과 2030년 각각 황화물계 배터리 상용화를 계획하고 있습니다.

​

 

 

 

 

 

 

마치며

최근 전기차 화재 사고로 액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리에 대한 안정성 우려가 커지고 있는 가운데 차세대 전고체 배터리가 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다.

​

전고체 배터리는 안정성과 성능이 획기적으로 개선된 것으로 전기차 대중화를 앞당길 '게임 체인저'로서 미래 전기차 시장의 경쟁력을 좌우할 것으로 평가받고 있는데요.

​

그동안 완성차 및 배터리 제조사들의 에너지밀도 향상에 초점을 맞췄다면 이제는 배터리 안전과 기술 수준을 함께 높일 수 있는 방향으로 전고체 배터리 연구·개발(R&D)에 속도를 낼 것입니다.

 

 

 

 

 

배터리 열폭주(전기차 화재 방지) 관련주 테마주 수혜주