전기 자동차의 종류도 조금씩 늘어나고 보급도 점점 늘어나고 있습니다.
전기 자동차는 가솔린 대신 배터리를 사용합니다.
전기 자동차의 배터리와 같이 자주 들을수 있는 단어가 전고체 배터리 입니다.
전고체 배터리가 무엇인지 살펴보겠습니다.
전고체 배터리
현재 전기 자동차는 리튬 이온 배터리를 사용합니다.
하지만 지속적인 화재, 폭팔 사고가 이슈가 되고 있습니다.
전기차는 친환경적이고 기존 내연기관 차보다 가속도면에서도 우수하지만 화재나 폭발의 의한 안정성에 대한 대해 문제가 있습니다.
그래서 차세대 배터리로 화재위험이 없는 전고체 배터리가 많은 관심을 받고 있습니다.
전고체 배터리란 액체 전해질 대신 고체를 사용한 배터리입니다.
전고체 배터리 개념은 1980년대 처음 나왔으나 별다른 반응이 없었습니다.
그러다 일본 토요타가 2010년 황화물 전해질을 사용한 배터리 시제품을 공개한 뒤 연구가 눈에 띄게 늘었습니다.
그로 인해 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 있습니다.
한국은 2025년 전고체 배터리를 상용화할 계획있으며, 전 세계 전기 자동차용 전고체 배터리 시장은 2030년 최대 100조 원 규모로 급성장할 것으로 관측되고 있다고 합니다.
전고체 배터리 원리
전고체 배터리는 영어로 All solid state battery 입니다.
구성하는 소재 및 부품이 모두 고체인 배터리입니다.
현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용 하는 리튬 이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있습니다.
하지만 전고체배터리는 양극, 음극은 유지하되 분리막이 제거되고, 액체상을 띄는 전해액이 고체상으로 대체된 것을 의미합니다.
즉, 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리입니다.
이때 고체 전해질은 고체이면서 리튬이온을 전달할 수 있는 특성을 갖고 있습니다.
전고체 배터리 장점
높은 안정성
리튬 이온 배터리 전해액은 인화성 물질이기 때문에 화재 위험이 높은 단점이 있었습니다.
하지만 전해액을 고체로 사용하면 인화성 물질이 아니기 때문에 불이나지 않습니다.
따라서 리튜 이온 배터리를 사용하는 전기차에 나타는 안정성 문제를 해결할 수 있습니다.
또한 고체이기 때문에 넓은 온도 영역대에서도 사용할 수 있는 장점이 있습니다.
온도에 의한 부피팽창이 발생하지 않고 열과 압력 등 극한 외부 조건에서도 정상 작동할 수 있습니다.
고속충전의 가능성
리튬 이온 배터리는 충전속도 (C-Rate)를 증가시키면 반응에 의해 반응열을 방출하게 됩니다.
반응열을 방출하게 되면서 리튬 이온 배터리의 SEI가 분해되고 열폭주가 일어나가 됩니다.
이러한 이유로 충전속도를 증가시기는 것이 아닌 충전 시간을 짧게는 20분 길게는 1시간 동안 충전하게 하는 것입니다.
하지만 고체 전해질을 사용하면 열에 대한 안정성이 높기 때문에 고속충전이 가능 하게 됩니다.
높은 에너지밀도 구현 가능성
전고체 배터리는 액체 전해질 기반 배터리가 셀 사이에 두꺼운 분리막을 필요로 하는 것과는 다르게, 고체 전해질층 사이에 단락이 발생하는 상황을 방지하기 위한 아주 얇은 분리막만을 필요로 합니다.
셀 하나당 마이크로미터에 불과한 차이일지라도 자동차 배터리 팩과 같이 수천 개의 셀이 모여 있다면 큰 차이를 만듭니다.
에너지 밀도를 높이는 또 다른 요소는 바로 전고체 배터리에 실리콘 함량이 더 높은 음극재를 사용할 수 있다는 점입니다.
흑연 음극재 대비 훨씬 높은 에너지 밀도(최대 10배)를 가지지만 액체 전해질과 함께 사용하는 경우에는 성능 저하가 발생합니다.
액체 전해질 배터리의 실리콘 함량은 10~15% 수준이지만, 고체 전해질을 사용하면 이를 50% 이상으로 끌어올릴 수 있어 더 높은 에너지 밀도를 가지게 됩니다.
전고체 배터리 단점
낮은 이온전도도
고체 전해질이기 때문에 액체전해질 보다 낮은 이온 전도도 값을 갖습니다.
고체이기 때문에 물질 고유적으로 액체보다 낮은 값을 가질 수밖에 없습니다.
하지만 최근 황화물계 고체전해질에서 액체전해질 수준의 전도도를 갖는 연구들이 활발하게 진행되어오고 있습니다.
높은 계면저항
리튬이온을 제공 또는 받는 계면에서의 저항이 매우 큽니다.
양극, 음극 모두 전해질이 고체이다 보니 고체-고체 간 계면이 형성되는데 아무리 압력을 높게 가한다 해도 액체만큼 미시적인 공간까지 접촉되기 어렵습니다.
이러한 문제 때문에 상대적으로 높은 저항을 갖으며 이것이 에너지밀도를 낮추합니다.
양산성
전고체 배터리의 가장 큰 난관은 양산하기에 매우 어려운 공정들이 존재 합니다.
고체 전해질 중 가장 높은 전도도를 갖는 황화물계 전해질은 대기나 습기에 노출되면 안 되기 때문에 비활성기체를 사용하는 조건에서 생산해야 하는 문제점이 있습니다.
이런 문제는 대량화 할 때에 높은 공정 비용을 필요로 하게 됩니다.
그리고 공정 조건에서 수분만 조절 하면 되는 리튬 이온 배터리와의 단가 경쟁력에서 불리하게 작용하게 됩니다.
차세대 배터리로 불리는 전고체 배터리에대해 알아봤습니다.
아직 해결해야할 문제들이 많이 남아있습니다.
이러한 문제들이 빨리 해결되 보다 안전하고 효율 좋은 전기 자동차가 하루 빨리 출시 되었으면 좋겠습니다.