전고체 배터리, 2024년 상용화 눈앞에.. 바뀔 미래는?
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전고체 배터리는 전해질을 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리이다. 기존의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하여 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하여 전기를 생성한다. 그러나 액체 전해질은 가연성이 높아 배터리의 폭발이나 화재 위험이 있다.
전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 이러한 문제를 해결한다. 고체 전해질은 가연성이 낮고 이온 전도도가 높아 배터리의 에너지 밀도와 안전성을 향상시킬 수 있다.
전고체 배터리의 제작 공정은 리튬이온 배터리의 제작 공정과 유사하다. 그러나 전해질을 액체에서 고체로 대체하기 때문에 일부 공정이 달라진다.
특히, 고체 전해질의 도포 공정은 전고체 배터리 제작의 핵심 공정이다. 고체 전해질은 액체 전해질보다 점도가 높기 때문에 도포가 쉽지 않다. 또한, 고체 전해질이 전극층과 잘 접착되도록 해야 한다.
전고체 배터리의 상용화를 위해서는 고체 전해질의 도포 공정의 개선이 필수적이다.
전고체 배터리는 아직 상용화되지 않았지만, 다양한 기업과 나라에서 활발한 연구 개발이 진행되고 있다. 업계에서는 2027년에서 2030년 사이에 전고체 배터리가 상용화될 것으로 예상하고 있다. 전고체 배터리의 상용화가 이루어지면 기존 리튬이온 배터리 산업에 큰 변화를 가져올 것으로 예상된다.
현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리
리튬이온 배터리는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 생성하는 전지이다. 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다.
리튬이온 배터리의 구조는 다음과 같다.
리튬 이온이 전자를 잃고 양이온이 되는 물질로 이루어진다. 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNiMnCoO2), 리튬 니켈 망간 코발트 알루미늄 산화물(LiNiMnCoAlO2) 등이 주로 사용된다.
리튬 이온이 전자를 얻고 음이온이 되는 물질로 이루어진다. 흑연, 실리콘 등이 주로 사용된다.
리튬 이온이 이동할 수 있는 매질로 이루어진다. 리튬염 용액, 고분자 전해질 등이 주로 사용된다.
리튬이온 배터리의 장점은 다음과 같다.
리튬은 다른 원소에 비해 전기화학적 에너지 밀도가 높기 때문에 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있다.
리튬이온 배터리는 충전 중간에 충전을 멈추어도 기억 효과가 발생하지 않는다.
자가방전이 적음
리튬이온 배터리는 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 적다.
리튬이온 배터리의 단점은 다음과 같다.
리튬은 희귀 금속이기 때문에 리튬이온 배터리의 제조 비용이 높습니다.
리튬이온 배터리의 전해질은 가연성이 있기 때문에 배터리의 폭발이나 화재 위험이 있다.
전고체배터리의 장점
전고체 배터리는 다음과 같은 장점이 있다.
고체 전해질은 액체 전해질보다 이온 전도도가 높기 때문에 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 이는 전기차의 주행 거리를 늘리거나 스마트폰의 배터리 용량을 늘리는 데 도움이 된다.
안전성 향상
고체 전해질은 액체 전해질보다 가연성이 낮기 때문에 배터리의 폭발이나 화재 위험을 줄일 수 있습니다. 이는 안전성이 중요한 전기차나 항공기 등에 적합합니다.
고체 전해질은 액체 전해질보다 이온 이동 속도가 빠르기 때문에 배터리를 더 빨리 충전할 수 있다. 이는 전기차의 충전 시간을 단축하는 데 도움이 된다.
전고체 배터리 주요 소재
전고체 배터리를 만들기 위해서는 다음과 같은 광물이나 소재가 필요하다.
리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNiMnCoO2), 리튬 니켈 망간 코발트 알루미늄 산화물(LiNiMnCoAlO2) 등과 같은 리튬 금속 산화물 또는 리튬 금속 탄화물이 주로 사용된다.
흑연, 실리콘, 리튬 금속 등이 주로 사용된다.
산화물계, 황화물계, 폴리머계, 혼합계 등이 있다.
양극 소재는 리튬 이온이 전자를 잃고 양이온이 되는 물질로 구성된다. 양극 소재는 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다.
- 높은 에너지 밀도
- 우수한 전기적 특성
- 안정성
현재 가장 많이 사용되는 양극 소재는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)이다. 리튬 코발트 산화물은 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 가격이 비싸고 코발트의 공급이 불안정하다는 단점이 있다.
최근에는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNiMnCoO2), 리튬 니켈 망간 코발트 알루미늄 산화물(LiNiMnCoAlO2) 등과 같은 리튬 금속 산화물이 개발되고 있다. 이들은 리튬 코발트 산화물보다 에너지 밀도가 높고 코발트 함량이 낮아 가격이 저렴하고 공급이 안정적이라는 장점이 있다.
음극 소재는 리튬 이온이 전자를 얻고 음이온이 되는 물질로 되어있다. 음극 소재는 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다.
- 높은 에너지 밀도
- 우수한 전기적 특성
- 안정성
현재 가장 많이 사용되는 음극 소재는 흑연입니다. 흑연은 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 충전 용량이 작고 충전 속도가 느리다는 단점이 있다.
최근에는 실리콘이 음극 소재로 주목받고 있다. 실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 10배 이상 높지만, 부피 팽창이 심해 충전과 방전 과정에서 성능이 저하된다는 단점이 있다.
고체 전해질은 리튬 이온이 이동할 수 있는 매질로 이루어진다. 고체 전해질은 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다.
- 높은 이온 전도도
- 우수한 전기적 특성
- 안정성
현재 가장 많이 연구되고 있는 고체 전해질은 산화물계 고체 전해질이다. 산화물계 고체 전해질은 높은 이온 전도도를 가지고 있지만, 안정성이 낮다는 단점이 있다.
황화물계 고체 전해질은 안정성이 높지만, 이온 전도도가 낮다는 단점이 있다.
폴리머계 고체 전해질은 이온 전도도가 높고 안정성이 낮다는 단점이 있다.
혼합계 고체 전해질은 산화물계, 황화물계, 폴리머계의 장점을 결합한 고체 전해질이다. 혼합계 고체 전해질은 이온 전도도와 안정성 모두 우수하다는 장점이 있다.
전고체 배터리의 상용화를 위해서는 이러한 광물이나 소재의 개발과 확보가 필수적이다.
전고체 배터리를 이끄는 기업들
전고체 배터리 분야에서 선도적인 기업으로는 다음과 같은 기업들이 있다.
- 도요타
- 소니
- 파나소닉
미국
- GM
- Ford
- 현대자동차
중국
- BYD
- CATL
- 궈신
이러한 기업들은 전고체 배터리의 소재, 제조 공정, 성능 개선을 위해 활발한 연구 개발을 진행하고 있다.
전고체 배터리를 이끄는 나라들
전고체 배터리 분야에서 선도적인 나라로는 다음과 같은 나라들이 있다.
일본은 전고체 배터리 분야에서 가장 오랜 연구 개발 역사를 가지고 있다. 도요타, 파나소닉, 소니 등 일본의 대표적인 기업들이 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다.
미국은 전기차 시장의 성장에 따라 전고체 배터리 개발에 적극적으로 나서고 있다. GM, Ford, 현대자동차 등 미국의 대표적인 자동차 기업들이 전고체 배터리 개발에 투자하고 있다.
중국은 전기차 시장의 급성장을 바탕으로 전고체 배터리 개발에 투자를 확대하고 있다. BYD, CATL, 궈신 등 중국의 대표적인 배터리 기업들이 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다.
한국의 전고체 배터리 산업 현황
한국의 전고체 배터리 산업은 아직 초기 단계이지만, 정부와 기업의 적극적인 투자로 빠르게 성장하고 있다.
한국 정부는 전고체 배터리 산업 육성을 위해 다양한 지원 정책을 시행하고 있다. 2021년에는 전고체 배터리 관련 연구 개발 사업에 1,000억 원을 투자하는 계획을 발표했다. 또한, 2025년까지 전고체 배터리 양산 기술을 확보하고, 2030년까지 전고체 배터리 시장 점유율 10%를 달성한다는 목표를 세우고 있다.
한국의 대표적인 배터리 기업인 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등이 전고체 배터리 개발에 적극적으로 투자하고 있다. LG에너지솔루션은 2025년까지 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있으며, 삼성SDI는 2027년까지 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있다. SK온은 2028년까지 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있다.
한국의 연구 기관들도 전고체 배터리 연구 개발에 활발히 참여하고 있다. 한국과학기술원(KAIST), 한국전자통신연구원(ETRI), 한국에너지기술연구원(KIER) 등은 전고체 배터리의 소재, 제조 공정, 안전성 등을 개선하기 위한 연구를 진행하고 있다.
한국의 전고체 배터리 산업은 정부와 기업, 연구 기관의 적극적인 투자와 연구 개발로 빠르게 성장하고 있다. 업계에서는 한국이 전고체 배터리 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망하고 있다.
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