차세대 배터리, '전고체 배터리'를 소개합니다.

차세대 배터리, '전고체 배터리'를 소개합니다.

대학생신재생에너지기자단 21기 이현서, 22기 정의희

 

배터리의 시대가 태동하다

 

[전고체 배터리 연구]

리튬이온 배터리의 지속적인 화재사고가 이슈가 되고 있다. 이를 해결하기 위한 여러 종류의 배터리 중 현재 ‘전고체 배터리’가 차세대 배터리로 각광받고 있다. 전고체 배터리란 액체 전해질 대신 고체를 사용한 배터리이다. 전고체 배터리 개념은 1980년대 처음 제시됐으나 한동안 빛을 보지 못했다. 그러다 일본 토요타가 2010년 황화물 전해질을 사용한 배터리 시제품을 공개한 뒤로 연구가 눈에 띄게 늘었다. 현재는 소재 후보군으로 황화물과 산화물, 고분자 3종이 발굴됐다. 일본은 전고체 배터리 연구에서 가장 앞서 나가는 국가로 손꼽힌다.

1991년 일본 SONY가 첫 개발해 상용화한 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 이차전지로는 리튬에어 전지, 리튬메탈 전지, 리튬황 전지, 전고체 전지가 있다. 한국은 2025년 전고체 배터리를 상용화할 계획이며, 전 세계 전기차용 전고체 배터리 시장은 2030년 최대 100조 원 규모로 급성장할 것으로 관측되고 있다.

 

[전고체 배터리 원리]

그렇다면 ‘꿈의 전지’라 불리는 전고체 배터리의 원리는 무엇일까?

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

[자료1. 전고체 배터리]

출처 : SKinno news

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 있다.

 

[전고체 배터리 장점 및 효과]

전고체 배터리가 가진 장점들은 리튬이온 배터리가 가지는 한계점을 보완할 수 있다.

첫째, 폭발 및 발화 특성이 없어 안전성이 우수하다. 고체 전해질은 온도 변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험이 없다. 부피팽창이 발생하지 않고, 열과 압력 등 극한 외부 조건에서도 정상 작동할 수 있다.

둘째, 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 전고체 배터리는 액체 전해질 기반 배터리가 셀 사이에 두꺼운 분리막을 필요로 하는 것과는 달리, 고체 전해질층 사이에 단락이 발생하는 상황을 방지하기 위한 아주 얇은 분리막만을 필요로 한다. 셀 하나당 마이크로미터에 불과한 차이일지라도, 자동차 배터리 팩과 같이 수천 개의 셀이 모여 있다면 큰 차이를 만든다. 에너지 밀도를 높이는 또 다른 요소는 바로 전고체 배터리에 실리콘 함량이 더 높은 음극재를 사용할 수 있다는 점이다. 흑연 음극재 대비 훨씬 높은 에너지 밀도(최대 10배)를 가지지만, 액체 전해질과 함께 사용하는 경우에는 성능 저하가 발생한다. 액체 전해질 배터리의 실리콘 함량은 10~15% 수준이지만, 고체 전해질을 사용하면 이를 50% 이상으로 끌어올릴 수 있어 더 높은 에너지 밀도를 띠게 된다.

셋째, 고출력이 가능하다. 액체 전해질과 달리 리튬이온이 용매와 분리되는 탈용매 반응이 불필요하다. 충방전 반응이 곧 고체 내 리튬이온의 확산 반응으로 반영돼 높은 출력이 기대된다.

넷째, 사용온도가 낮다. 기존 유기 전해액에 비해 넓은 온도 영역에서 안정적인 성능을 확보할 수 있다. 특히 저온에서 높은 이온 전도도가 기대된다. 전기차 사용자의 가장 큰 애로사항이 겨울철에 배터리 성능이 저하돼 주행거리가 줄어드는 것이다. 테슬라(Tesla) Model X를 충전 50% 상태에서 추운 밤에 세워두면 다음날 아침 충전율이 30%로 내려간다. 전고체 배터리 시대가 오면 저온 환경의 불안 요인이 해소될 것이다

다섯째, 전지 구조가 단순하다. 분리막이 필요 없다. 제조 공정 상에서 슬러리 상태의 고체 전해질을 양극 활물질에 코팅한다. 액체 전해질의 주액 공정 없이 연속 공정을 통해 다양한 형태의 다층 구조 셀을 구현할 수 있다.

이처럼 전고체 배터리는 리튬이온 배터리가 가지고 있는 문제를 해결할 수 있는 기대효과를 가지고 있어 국내외에서 활발한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 하지만 전고체 배터리 또한 치명적인 단점을 가지고 있다.

[자료 2. 전고체 배터리의 장점] 

출처 : 해시넷

 

[전고체 배터리 미흡한 점과 이를 위한 해결책]

고체 전해질은 액체 전해질에 비해 이온전도도가 낮다는 것이 본질적 문제다.

기존 리튬이온 배터리처럼 전극 제조 시 슬러리로 코팅하면 용량이나 효율 특성이 현저하게 저하된다. 원가 측면에서는 고체 전해질이 액체 전해질과 분리막을 더한 것보다 원가가 낮아야 하는데, 소재의 특성상 당분간 어렵다. 또한 음극재까지 리튬메탈로 변경하면 새로운 생산 설비가 필요하기 때문에 제조원가가 높을 수밖에 없다.

또한 전고체 배터리의 현실은 고체 전해질 소재, 활물질-전해질 경계의 높은 저항(계면 저항), 제조 공정 등에 걸쳐 많은 논란과 과제를 안고 있다. 소재는 아직 기대 성능에 미치지 못하고, 특허 이슈가 많다. 셀 제조 과정에서 엄청난 압력과 온도를 필요로 하는데 양산 설비를 구축하기 어렵다. 고체이기 때문에 이질적인 파우더끼리 계면 저항, 전극과 전해질의 계면 저항을 피할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해선 고체 전해질은 이온이 고체 격자 사이에서 이동하기 때문에 활물질과 전해질간 접촉 계면을 극대화하는 동시에 계면 저항을 최소화해야 한다.

먼저 물리적 접촉 면적을 극대화하는 문제다. 고체 전해질은 액체 전해질과 달리 젖음성과 흐름성이 없다. 또한 고체 전해질, 활물질, 도전재 각 성분의 크기와 형상이 다양하다. 슬러리 제조 단계에서 활물질과 전해질을 무작위로 혼합하는 구조다 보니 계면 형성이 어렵고, 전자와 이온의 통로를 만드는 것이 어렵다. 접착력을 향상시키기 위해 섞는 바인더가 계면 형성을 방해하면서 계면 저항이 증가한다. 고체 전해질은 얇으면서도 결함이 없어야 하며, 양극과 계면 접촉이 좋아야 한다.

또한 계면 저항을 최소화해야한다. 양극과 전해질 간 계면 저항을 억제하는 것이 핵심 과제다. 계면이 있으면 크고 작은 공간 전하가 생기기 마련이다. 산화물 양극과 황화물 전해질 간에는 잠재에너지 차이가 커 계면 부반응이 유발된다. 충·방전 과정에서 양극 활물질의 부피 변화에 따라 고체 전해질과 접촉면이 분리돼 전하 이동을 어렵게 만든다. 고온 또는 고압 공정이 진행되면 계면 저항이 더욱 커진다.

계면 저항을 억제하기 위해 양극활물질 표면에 LiNbO₃ 등의 재료를 코팅해 버퍼층을 형성하는 기술이 활용되고 있다. 코팅 재료를 10 나노 이하로 균일하게 코팅하면 해결할 수 있다. 또한 동시 소결이나 저온 결정화를 통해 계면의 기계적 안정화를 꾀함으로써 계면 저항을 낮출 수 있다.

[자료 3. 전고체 배터리 계면 저항 연구]

출처 : 충남대학교

국내에서는 이러한 계면 제어 기술을 따로 분리하여 전고체 전지의 계면 저항에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 한 예시로 황화물 고체전해질을 에탄올에 녹이고, 해당 용액에 양극 입자를 넣고 교반하고 건조함으로써, 양극 입자에 황화물 고체전해질을 코팅하는 기술이 연구되었다. 나아가 황화물 고체전해질이 녹은 용액을 기존 리튬 이온전지에 적용되는 양극시트에 떨어뜨려, 마치 액체전해질이 양극 입자 사이로 스며들 듯 황화물 고체전해질을 양극 입자 사이로 침투시키는 기법도 개발되었다.

[자료 4. 황화물 고체전해질 침투기법]

출처 : 충남대학교

 

[차세대 배터리에 대한 기대효과 및 앞으로의 방향성]

2022년 11월 23일 서울 무역센터에서 열린 제3회 무역산업포럼 '글로벌 공급망 재편과 한국의 대응' 행사에서 최장욱 서울대 화학생물공학부 교수는 전고체 배터리에 대해 "아직 상용화 고비를 못 넘었다"며 회의적으로 평가했다. 하지만 2050 탄소중립을 실현하기 위한 나라에서 발표한 NDC에 따르면 국내 자동차를 100% 전기차로 바꾸겠다는 정책이 있다. 이는 앞으로의 배터리의 중요성이 지금보다 더더욱 커질 것임을 의미한다. 리튬이온 배터리를 시작으로 전고체전지까지 차세대 이차전지를 개발하기 위한 노력은 끊임없이 이어오고 있다. 지속적인 회의적인 평가에도 국내 기업에서는 투자를 멈추지 않았고 상용화를 매년 앞당기고 있으며 상용화를 눈앞에 두고 있다.

삼성SDI는 2020년 5월 1회 충전에 800㎞를 주행할 수 있는 전고체 배터리 연구 성과를 공개했다. 삼성SDI는 이 연구를 바탕으로 2027년께 전고체 배터리를 양산한다는 계획을 공개했다. 또한 LG에너지솔루션이 오는 2025년께 리튬 황 배터리, 전고체 배터리를 상용화한다. 리튬 황 배터리는 2025년, 전고체 배터리는 2025년부터 2027년까지를 각각 상용화 목표 시점으로 제시했다. '2021 배터리 데이'에서 LG가 차세대 배터리 개발 로드맵과 상용화 계획을 구체적으로 공개한 것은 이번이 처음이다. 전고체 배터리가 ‘꿈의 전지’가 과연 될 수 있을 지 앞으로의 귀추가 주목된다.

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전고체 배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "배터리, 어디까지 왔으며 어디까지 갈 것인가", 작성자(20기 이주선 외 4명), https://renewableenergyfollowers.org/3621

2. "전기차의 한계를 뛰어넘다, 전고체 배터리", 작성자(18기 최별 외 4명), https://renewableenergyfollowers.org/3284

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참고문헌

1) 삼성 SDI, "전고체배터리란 무엇일까?", 2020.09.23, https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56461.html?listType=gallery 

2) SKinno News, "전고체배터리가 자동차의 미래에 미치는 영향", 2022.07.27, https://skinnonews.com/archives/97077 

3) 윤병효, "연이은 전고체배터리 회의적 평가..."상용화 고비 못넘었다"", 전기신문, 2022.11.28, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=311971

4) 박상백, "전고체전지를 위한 계면 제어 기술의 최근 연구 동향", 2022.01.12, https://ceramist.or.kr/upload/pdf/ceramist-2022-25-1-03.pdf