전고체 배터리

전고체 배터리의 작동 원리

전고체 배터리(全固體, solid-state battery)는 액체 전해질 대신 고체를 사용한 배터리이다. 전고체 배터리는 에너지 밀도가 높고, 충전 시간이 빠르며, 안전성이 높고, 가격이 저렴하여 차세대 꿈의 배터리로 불린다. 즉 리튬이온 배터리에 필요한 전해액과 분리막을 없애고, 비는 공간에 에너지밀도가 더 높은 물질을 집어넣을 수 있다.

액체로 만들어진 기존 배터리는 양극과 음극이 만날 경우 화재가 발생할 위험이 있으나, 전고체 배터리는 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만들기에 항상 고정돼 있어 구멍이 뚫려도 폭발하지 않고 정상 작동한다. 액체 전해질보다 내열성과 내구성이 뛰어나기 때문에 폭발이나 화재 가능성이 낮고 크기도 줄일수 있다. 전고체 배터리는 안전성뿐만 아니라 용량과 두께 측면에서 "플렉서블(휘는·flexible) 배터리"를 구현하는 최적의 조건을 갖춘 것으로 평가 받는다. 전해질에 액체가 없어 초박막을 만들 수 있고, 양·음극을 여러 겹 쌓아 고전압·고밀도 배터리 구현이 가능하기 때문이다. 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높아 전기차의 주행 거리 향상과 충전 시간을 절약할 수 있다. 부품이 덜 들어가는 만큼 무게도 가벼워진다. 기존 리튬이온 전지의 에너지 밀도는 255Wh/㎏ 수준이다. 반면 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/㎏까지 에너지 밀도가 올라간다.

그러나 전고체 전지는 고체 형태이다 보니 액체 전해질에 비해 이온 전도도가 낮아 출력이 낮고 수명이 짧다는 단점이 있다. 이에 따라 세계 산업계는 최대한 이온 전도도를 높일 수 있는 전고체 재료 찾기에 나섰다. 유력한 재료로 꼽히는 것이 폴리머, 옥사이드, 인산염, 황화물 등 네 가지다. 다만 각각 그 특성에 따른 장단점이 명확하다.

폴리머는 이온전도율이나 온도 변화에 대한 안정성이 떨어지지만 생산 용이성이 높다. 보쉬에서 선제적으로 폴리머 전고체 전지 개발에 나선 상태다. 한편 옥사이드와 인산염은 이온전도율이나 안정성은 괜찮은 편이나 생산 용이성이 낮다.

산업계의 주목을 받는 물질은 황화물이다. 이온전도율, 생산 용이성, 온도 변화에 대한 방어력 등이 두루 높다. 토요타, 삼성SDI 등 세계 제조기업에서 이를 기반으로 한 전고체 전지 개발에 열을 올리고 있는 것도 이 때문이다.

전고체 전지의 실용화 시점은 2025년 안팎으로 예상된다. BMW가 전고체 전지 양산 시점을 2026년이라고 못 박기도 했다.

LG에너지솔루션과 삼성SDI, 중국 CATL, 일본 파나소닉 등이 전고체 배터리를 개발 중이다.

주요 완성차 업체들도 전고체 배터리 개발에 뛰어들었다. 일본 토요타는 2008년 차세대 배터리 연구소를 세우면서 정부, 학계와 함께 전고체 배터리를 개발한다고 발표했다. 독일 BMW는 미국의 연료전지기업 솔리드파워와 손잡고 전고체 배터리를 장착한 전기차를 2025∼2026년께 출시할 계획이다.

참고자료

• 〈전고체 전지〉, 《한경 경제용어사전》
• 구본혁 기자, 〈폭발위험 없는 꿈의 배터리 ‘전고체전지’ 대량생산길 열렸다!〉, 《헤럴드경제》, 2021-02-22

같이 보기

• 배터리
• 전해질
• 에너지 밀도

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