전고체 배터리가 주목받는 이유는 무엇인가?[전고체 배터리 연구사례, 전고체 배터리 개념]

 전기차(EV) 시대의 도래는 자동차 산업 전반에 걸쳐 큰 변화를 불러일으키고 있다. 내연기관(ICE) 차량에서 전기차로의 전환이 가속화됨에 따라, 전기차의 단점으로 지적되는 주행거리와 화재 안전 문제는 새로운 전지 기술의 개발을 필수적으로 만었고, 이러한 문제를 해결하기 위해 차세대 전지 기술이 주목받고 있으며, 그중에서도 전고체전지(Solid-State Battery)는 특히 중요한 기술로 떠오르고 있다.

 

전고체 배터리의 구성과 원리

 전고체 배터리는 기본적으로 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다: 양극, 음극, 그리고 전해질로, 이 중 전해질이 고체로 대체된다는 점에서 전고체 배터리는 기존 배터리와 차별화된다. 고체 전해질은 이온을 전도하는 역할을 하며, 그 유형에 따라 이온 전도도와 계면 저항 등의 성능이 결정된다. 

전고체전지의 필요성: 리튬이온전지의 한계

 

 현재 사용되고 있는 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 비교적 긴 수명을 제공하지만, 전해액의 가연성으로 인해 화재의 위험이 존재한다. 이러한 화재의 주요 원인으로 지목되는 전해액의 문제를 해결하기 위해, 전고체전지가 주목받고 있는데, 전고체전지는 전해질을 액체 대신 고체로 대체하여, 화재 위험을 근본적으로 줄일 수 있는 가능성을 제시한다.

 

 그러나 전고체전지는 아직 여러 기술적 과제를 안고 있다. 상온에서의 안정적인 셀 구동과 저압 환경에서의 반응성 유지가 어렵기 때문에, 계면 안정성을 어떻게 확보할 것인지가 중요한 논제로 떠오르고 있으며, 또한, 소재에 대한 깊은 이해와 함께, 양산화 기술과 수율 개선도 중요한 과제로 남아 있다. 

전고체전지의 장점과 도전 과제

 

 

 전고체전지가 주목받는 가장 큰 이유는 앞서 언급한 화재 위험의 감소와 함께, 고용량의 음극 소재를 채용할 수 있다는 점이다. 고체 전해질을 사용하면, 기존 리튬이온전지에서 사용하기 어려웠던 리튬금속과 같은 고용량 음극 소재를 활용할 수 있게 되며, 이는 에너지 밀도를 크게 높일 수 있는 잠재력을 제공한다. 이는 전기차의 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있다는 기대를 불러일으키고 있지만 그만큼 문제도 많다.

 

 그러나 이러한 가능성에도 불구하고, 전고체전지의 상용화에는 아직 해결해야 할 문제가 많다. 그 중에서도 가장 핵심적인 문제는 고체 전해질의 선택이다. 현재까지 연구된 고체 전해질은 황화물계, 산화물계, 고분자계 등 다양한 종류가 있으며, 이들 중 황화물계가 가장 주목받고 있다. 황화물계 전해질은 높은 이온전도도를 제공하며, 낮은 계면 저항을 형성할 수 있다는 장점이 있지만 그에 따른 단점도 존재한다.

 

 황화물계 전해질은 대기 중의 수분에 민감하다는 단점이 있으며, 이로 인해 추가적인 안정성 확보가 필요로한다. 이를 극복하기 위해 하이브리드 형태의 전고체전지도 연구되고 있고, 하이브리드 전지는 고체 전해질과 액체 또는 젤 형태의 다른 요소를 결합하여, 기존 전지의 단점을 보완하려는 시도다.

전고체전지의 미래와 전망

현재 전고체전지는 리튬이온전지를 대체할 차세대 전지로서 큰 기대를 모으고 있지만, 아직 상용화까지는 시간이 필요할 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고, 전고체전지는 높은 에너지 밀도와 안전성을 바탕으로 전기차 산업의 미래를 이끌 핵심 기술로 자리 잡을 가능성이 크고, 지속적인 연구와 기술 개발을 통해 이러한 전지가 상용화된다면, 전기차의 주행거리와 안전성 문제를 크게 개선할 수 있을 것이다.

 

전고체전지 외에도 리튬금속전지, 리튬황전지 등 다양한 차세대 전지 기술들이 개발되고 있으며, 이들 또한 전기차의 성능과 안전성을 높이기 위한 중요한 기술로 주목받고 있다.

 

전고체 전지 연구사례

삼성종합기술원의 연구 사례

 2020년, 삼성종합기술원에서는 무음극 배터리에 대한 연구를 발표했다. 이 연구는 전고체 전지의 에너지 밀도를 높이고 생산 비용을 낮추기 위한 시도로, 기존의 음극을 제거하는 방식을 시도했다. 무음극 배터리는 전해질과 음극 사이의 반응성을 개선함으로써 더 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있는 가능성을 제시했다.

 

 그러나 이 연구는 60도에서만 내구성을 보이는 데이터만 발표되었고, 상온에서의 데이터는 보고되지 않아 상용화에는 아직 한계가 있다는 점을 보여준다. 현재는 다른 소재군도 함께 연구 중에 있으며, 더 나은 성능을 위한 다양한 접근이 시도되고 있다.

LG의 연구 사례

LG에서도 전고체 전지에 대한 연구가 진행되었다. 특히 마이크로 실리콘을 사용한 연구가 주목받았는데, 이 연구에서는 50MPa의 압력에서 전고체 전지를 구동하는 실험이 이루어졌다. 마이크로 실리콘을 활용함으로써 전지의 용량을 늘리려는 시도가 있었지만, 이 또한 한계점을 드러냈다. 특히, 높은 압력에서만 안정적인 구동이 가능하다는 점에서 실용화에는 추가적인 연구가 필요하고 있다.

 

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