이차전지(배터리) 산업으로의 취업(이직)을 준비한다면? #4_전고체 배터리

최근 이차전지 시장에서 크게 화제가 되고 있는 것이 있습니다.

바로 '꿈의 배터리'라고 불리는 전고체 배터리인데요.

 

현재 K 배터리 3사 뿐만아니라 일본의 배터리 기업들과 현대차까지도 연구를 하고 있는데요.

전고체 배터리를 상용화 시키는 기업이 배터리 시장을 장악하는 게임체인저가 될 것으로 예상하기 때문에 모두가 치열하게 경쟁하는 중입니다. 전고체 배터리에 대해서 한번 알아볼까요?

 

전고체 배터리란?

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전고체 배터리(All-Solid-State Battery)는 기존 리튬이온 배터리의 대안으로 개발되고 있는 고급 배터리 기술입니다. 기존의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하여 전기를 저장하고 방출하는 반면, 전고체 배터리는 고체 전해질로 대체되어 더 안전하고 성능이 향상되는 특징을 갖습니다.

 

즉, 배터리의 안전을 확보할 수 있고, 성능도 향상된다는 것인데요.

 

아직 전기차를 사람들이 꺼려하는 것에는 다양한 이유가 있겠지만, 아무래도 배터리 폭발 사고를 흔하게 접할 수 있다보니 무서워서 꺼리는 경우가 많습니다. 노트북이나 핸드폰 같은 휴대용 전자기기들에서도 폭발사고가 많이 있었는데 전기차의 경우엔 용량이 워낙 크다보니 폭발의 크기가 상상을 초월하죠. 이런 단점을 해결해 줄 수 있는 것이 전고체 배터리라는 것입니다. 배터리의 안정성을 확보하여 폭발의 위험을 줄이고 사람들을 안심시킬 수 있는 것인데요.

 

전고체 배터리는 왜 안전할까?

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그렇다면 전고체 배터리는 왜 안전할까요?

그것은 쇼트가 나는 원인의 대부분이 액체 전해질에 있기 때문입니다. 전 시간에 배터리의 기본 구조에 대해 설명을 드렸었는데요. 전해질은 리튬이온의 통로이지 전자의 통로가 아닙니다. 

하지만 전해질을 통해 전자가 이동하게 되면 그것이 쇼트로 이어지고 결국 큰 열이 발생하여 폭발이 일어날 수 있습니다. 하지만 전해액이 아닌 고체 전해질로 구성되어 있는 전고체 배터리는 전자가 전해질을 통해서 이동할 위험이 굉장히 적고, 그래서 일반적인 리튬이온배터리에 비해 훨씬 안전하다는 특성을 가질 수 있는 것입니다.

 

추가로 고체의 전해질을 사용해서 얻을 수 있는 이득들도 있는데요. 액체 전해질은 극한의 온도변화에 따라 누출이 발생할 수 있고, 전해질의 증발로 용량이 감소하거나 충전 속도가 떨어지는 등의 문제가 있을 수 있습니다. 하지만 고체 전해질은 물리적으로 안정하며 누출이 없기 때문에 안전성이 더 높습니다.

 

안전한건 알겠는데 성능은 왜 더 좋아지지?

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전해질이 고체로 바뀐다는 것은 안전성을 확보한다는 것 뿐만 아니라 밀도가 높아진다는 것을 의미합니다. 액체보다 고체의 밀도가 높기 때문에 전해질을 더욱 더 꽉꽉 채울 수 있고, 더욱 더 높은 에너지 밀도를 가지게 된다는 것을 의미합니다. 높은 에너지밀도로 전해질을 채우니 용량이 더 커질 수 있는 것입니다.

용량을 키우는 것은 배터리에게 굉장히 중요합니다. 전기차의 이동거리를 늘려줄 수 있고, 전기차에서 단지 주행뿐만 아니라 다양한 활동을 할 수 있게 만들어주죠. 캠핑용품도 자동차에 연결해서 전기를 끌어다 쓰고 멋있죠? 그렇기 때문에 배터리 용량이 굉장히 중요하고 전고체에 관심을 가지는 것입니다.

 

전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하면서 안전을 확보하였습니다. 안전해지자 한가지가 크게 필요없어졌습니다. 그게 뭘까요?

바로 분리막인데요. 저번 시간에 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다고 말씀드렸었는데요. 분리막은 양극과 음극 사이를 리튬이온만 통과할 수 있고 전자는 통과하지 못하도록 막아주는 역할을 하고 있었습니다.

하지만 고체 전해질이 전자가 양극과 음극 사이를 통과하지 못하도록 만들어주니 분리막의 포지션이 조금 애매해졌죠. 그 결과 분리막을 빼버리고 성능을 향상시킬 수 있는 물질들을 더 넣을 수 있게 됩니다.

양극,음극의 용량을 키울 수 있게 된 것이죠.

분리막 뿐만 아니라 폭발을 방지해주는 역할을 하는 냉각,BMS 장치등이 들어갈 자리에 양극, 음극 활물질로 채울 수 있기 때문에 더 용량이 커질 수 있습니다.

 

전고체 배터리가 안전하다는 것은 정말 큰 장점입니다.

저번시간에 음극에 주로 흑연을 쓴다고 배웠는데요. 리튬이온을 받아주는 안전한 물질인 흑연은 정말 좋은 음극소재이지만 안전이 확보된 상황에서는 굳이 흑연을 사용할 필요가 없습니다. 금속을 사용할 수도 있습니다. 음극에도 금속재료를 사용하게 된다면 전기력을 최대한으로 활용할 수 있고 그럼 용량이 자연스럽게 늘어나겠죠?

 

전고체 배터리를 상용화 못하고 있는 이유

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이렇게 좋은 전고체 배터리지만 아직 상용화하기에 어려움이 많습니다.

첫번째로 공정상의 어려움이 있는데요.

전극과 전해질이 둘 다 고체이니 완벽하게 붙이기가 어렵습니다. 고압으로 눌러주거나 전해질을 분사하거나 하는 방식을 찾아야 될 듯한데, 아직은 어려움이 많아보입니다.

 

두번째로는 전기전도성이 액체보다 낮아 충방전 시간이 늘어날 수 있습니다. 아무리 용량이 높아도 충전하는데 하루가 걸리면 전기차를 타기 쉽지 않겠죠?

 

추가로 전고체 배터리의 충방전 사이클을 확보하고 고체 전해질을 설계하는 일이 어려운 일이라고 합니다.

 

꿈의 배터리라고 불리는만큼 하루 빨리 상용화되어서 모든 전기자동차와 전자기기에 활용되었으면 좋겠습니다.

 

여기까지입니다. 감사합니다.