반고체 배터리

반고체 배터리(semi solid-state battery)는 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리로 가기 위한 중간 형태의 제품이다. 리튬이온의 이동 통로인 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리의 화재 위험성을 현저히 줄이는 차세대 기술로 알려져 있지만, 기존 제품만큼의 에너지효율을 확보하지 못해 아직 상용화가 되지 못하고 있다. 업계에서는 이 같은 에너지효율 문제를 개선하는 방안 중 하나로 젤 형태의 반고체 배터리의 시장 가능성에 주목하고 있다. 중국 CATL(宁德时代)은 전해질을 응축했다고 해서 콘덴스드 배터리(Condensed Battery)라고 한다.

개요

전고체 배터리는 크게 3가지 계열로 나뉜다. 황화물계, 산화물계, 고분자계 등이다. 황화물계는 높은 이온전도, 양산 적합성 등이 강점이지만 수분에 취약하고 기술장벽이 높고 비싼 단가 등이 단점이다. 산화물계는 안정성에 우위가 있지만 연성이 부족해 전해질과 전극 간 접촉이 쉽지 않다. 고분자계는 기존 양산 공정을 적용할 수 있는 장점이 있고 상용화 가능성도 높지만 이온전도가 낮은 부분이 치명적이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 주목받고 있는 배터리 형태가 바로 반고체 배터리(semi solid-state battery)다. 개념은 어렵지 않다. 일반 리튬이온 배터리의 전해질이 액체, 전고체 배터리의 전해질이 고체라면 반고체 배터리는 전해질이 중간 형태인 젤의 형태를 보인다. 전해질 종류는 여러 가지다. 젤을 사용하거나 점토를 사용하기도 하며 수지 전해질을 쓰기도 한다.

반고체 배터리는 일반 전해액 배터리와 전고체 배터리의 장점을 두루 갖는다. 먼저 에너지 밀도를 현재의 전해액 배터리 대비 크게 높일 수 있다. 일반 리튬-이온 배터리가 넘을 수 없었던 300Wh/kg의 에너지 밀도를 단숨에 뛰어넘을 뿐만 아니라 전고체 배터리 수준까지 넘보는 것도 가능하다. CATL이 개발한 초고밀도 배터리는 kg당 에너지 밀도가 500Wh에 달해 전고체 수준을 기록했다.

충방전 내구 성능도 뛰어나다. 일본의 배터리 이노베이션 허브(Battery Innovation Hub)가 개발한 반고체 배터리는 리튬-이온 배터리 수명의 2배에 이른다. 일본 가이시 기업은 세라믹 전극을 사용해 스마트 기기용 반고체 배터리인 에너세라(EnerCera)를 개발했다. 에너세라는 일반적인 리튬이온 배터리의 세 배인 9000회 재충전이 가능하다.

전고체 배터리가 가진 안전 성능도 반고체 배터리에서 기대할 수 있다. 전고체 배터리가 전해질 자체가 형태를 유지하면서 안전성을 가진다면 반고체 배터리는 활성 물질을 둘러싸고 있는 젤 형태의 전해질이 배터리 폭발을 막아준다. 또, 리튬에서 생성돼 분리막을 손상시키는 덴드라이트 억제력도 갖는다.

제조비용까지 절약할 수 있다. 액체 대신 젤 혹은 점토를 사용하기 때문에 전극을 건조하고 응고시키는 공정이 필요 없어졌다. 미국 24M 테크놀로지(24M Technologies)에 따르면 반고체 배터리는 제조비용을 최대 40%까지 절감시키는 것이 가능하다. 제조부터 폐기까지 탄소 발자국과 조달 비용은 사실상 절반 수준으로 줄일 수 있다.

개발현황

간펑리튬(赣锋锂业)

동펑자동차(东风汽车)가 2022년 1월 중국의 간펑리튬(赣锋锂业)의 반고체 배터리를 탑재한 E70 50대에 대한 시범 운영을 실시했다. 이를 바탕으로 2022년 12월 15일 동펑 자동차의 전기차 브랜드 란투(岚图)에서 82kWh 용량의 반고체 배터리를 탑재한 추이광(追光)을 출시한 후 1월 13일 양산을 시작했다. 공식적으로 세계 최초의 양산형 반고체 배터리 승용차 타이틀을 갖게 됐다.

웨이란 신에너지(卫蓝新能源)

웨이란 신에너지(卫蓝新能源)가 개발한 반고체 배터리는 360Wh/kg 에너지 밀도를 갖고 있다. 10분 충전으로 400km 주행이 가능한 효율성도 겸비했다. 한국에도 잘 알려진 니오(蔚来) 브랜드의 전기차 ET7가 웨이란 신에너지가 개발한 반고체 배터리를 달고 2023년 상반기 중국 시장에서 출시될 예정이다.

궈쉬안가오크어(国轩高科)

궈쉬안가오크어(国轩高科)가 개발한 반고체 배터리는 360Wh/kg 밀도를 갖는다. 이 배터리를 탑재한 신차는 가오흐어 자동차(高合汽车)의 파이픽스(HiPhiX)로, 2023년 양산이 예고됐다. 이 차는 1회 충전으로 1000km 주행이 가능하며 정지 상태에서 시속 100km까지 3.9초 만에 가속할 수 있다.

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