전고체 배터리란?

최근 전기차 시장이 점점 확대되면서 차세대 배터리인 전고체 배터리에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 특히 LG에너지솔루션과 삼성SDI 등 국내 기업들이 앞다퉈 전고체 배터리 개발에 나서고 있고, 일본 도요타자동차 역시 내년 출시 예정인 신형 전기차 '아이로드'에 전고체 배터리를 탑재한다고 발표했습니다. 이처럼 전고체 배터리는 현재 리튬이온배터리를 대체할 기술로 주목받고 있지만 아직 상용화까지는 갈 길이 멀지요. 이번 글에서는 전고체 배터리에 대해 알아보고자 한다. 우선 주요 재료에 대한 용어를 짚어보고 가야 한다.

 

배터리의 주요 재료는 전해질, 음극재, 양극재로 나눌 수 있습니다.

• 전해질

전해질은 양극재와 음극재 사이에서 이온을 전달하는 역할을 합니다. 전해질의 종류에 따라 배터리의 성능과 특성이 달라집니다.

• 음극재

음극재는 배터리에서 전자를 저장하는 역할을 합니다. 음극재의 종류에 따라 배터리의 용량과 출력 성능이 달라집니다.

• 양극재

양극재는 배터리에서 전자를 방출하는 역할을 합니다. 양극재의 종류에 따라 배터리의 에너지 밀도와 수명 특성이 달라집니다.

전해질

전해질은 크게 액체 전해질과 고체 전해질로 나눌 수 있습니다.

• 액체 전해질

액체 전해질은 가장 일반적으로 사용되는 전해질입니다. 액체 전해질은 높은 이온 전도도를 가지고 있어, 배터리의 전류 출력 성능이 우수합니다. 그러나 액체 전해질은 부식성이 높고, 화재 위험이 있어 안전성이 낮다는 단점이 있습니다.

• 고체 전해질

고체 전해질은 액체 전해질의 단점을 보완하기 위해 개발된 전해질입니다. 고체 전해질은 부식성이 낮고, 화재 위험이 적어 안전성이 높습니다. 그러나 고체 전해질은 이온 전도도가 낮아, 배터리의 전류 출력 성능이 낮다는 단점이 있습니다.

음극재

음극재는 크게 흑연, 리튬 금속, 실리콘으로 나눌 수 있습니다.

• 흑연

흑연은 가장 일반적으로 사용되는 음극재입니다. 흑연은 높은 용량과 낮은 비용을 가지고 있어, 배터리의 용량을 높이는 데 유리합니다. 그러나 흑연은 낮은 출력 성능과 빠른 용량 감소라는 단점이 있습니다.

• 리튬 금속

리튬 금속은 가장 높은 에너지 밀도를 가진 음극재입니다. 리튬 금속은 높은 출력 성능과 빠른 충전 속도를 가지고 있어, 배터리의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나 리튬 금속은 과충전으로 인해 화재 위험이 높다는 단점이 있습니다.

• 실리콘

실리콘은 흑연보다 높은 에너지 밀도를 가진 음극재입니다. 실리콘은 빠른 충전 속도와 높은 출력 성능을 가지고 있습니다. 그러나 실리콘은 부피 팽창이 크다는 단점이 있습니다.

양극재

양극재는 크게 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNiMnCoO₂), 리튬 인산철(LiFePO₄)으로 나눌 수 있습니다.

• 리튬 코발트 산화물

리튬 코발트 산화물은 가장 높은 에너지 밀도를 가진 양극재입니다. 리튬 코발트 산화물은 높은 출력 성능과 빠른 충전 속도를 가지고 있습니다. 그러나 리튬 코발트 산화물은 가격이 비싸고, 코발트의 공급이 불안정하다라는 단점이 있습니다.

• 리튬 니켈 코발트 망간 산화물

리튬 니켈 코발트 망간 산화물은 리튬 코발트 산화물보다 저렴한 가격으로 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 리튬 니켈 코발트 망간 산화물은 리튬 코발트 산화물과 유사한 출력 성능과 빠른 충전 속도를 가지고 있습니다.

• 리튬 인산철

리튬 인산철은 안전성이 뛰어난 양극재입니다. 리튬 인산철은 가격이 저렴하고, 충격과 열에 강하다는 장점이 있습니다. 그러나 리튬 인산철은 낮은 에너지 밀도와 낮은 출력 성능이라는 단점이 있습니다.

전고체 배터리란 무엇인가요?
전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하는 배터리이다. 기존 액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리와는 달리 화재 위험성이 낮고 안전성 측면에서 뛰어나다는 장점이 있다. 또한 에너지 밀도가 높아 주행거리 향상 및 충전시간 단축 효과가 기대된다. 하지만 여전히 해결해야 할 과제가 많다. 먼저 온도 변화에 따른 부피 팽창 문제나 수명 저하 현상 같은 안정성 문제들을 해결해야 하고, 이온전도 특성 개선 연구도 진행되어야 한다. 그리고 양산 공정기술 확보도 시급하다.

전고체 배터리의 전망은 어떤가요?
현재 세계 각국 정부에서도 미래 먹거리 산업으로 자동차용 2차전지(배터리) 사업 육성에 힘을 쏟고 있다. 우리나라 뿐만 아니라 미국, 중국, 유럽 등 주요 국가 모두 관련 정책을 내놓고 있으며, 2025년 이후부터는 본격적으로 성장할 것으로 예상된다. 다만 지금 당장은 경제성과 효율성 면에서 경쟁력이 떨어지기 때문에 당분간은 하이브리드 차량 위주로 보급될 것으로 보인다. 그러나 최근 들어 성능개선 속도가 빨라지고 있어서 향후 5~10년 내로는 내연기관차량을 완전히 대체할 것으로 전문가들은 내다보고 있다.

전기차 시대가 도래하면서 다양한 종류의 배터리가 등장하고 있다. 이제 막 걸음마 단계이지만 머지않아 대세가 될 전고체 배터리에 대해 알아보았다.