전고체 배터리란?

안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학 흥. 재. 과입니다!

 

오늘은 꿈의 배터리라고 불리는 전고체 배터리에 대해 알아볼 건데요!

 

많은 소비자들이 전기차를 타면서 가장 걱정하는 부분 중 하나가 화재의 위험성인데요.

이러한 위험 때문에 배터리 충전 시 80%까지 충전을 권장하고 있으며

한번 화재가 발생하게 되면 쉽게 진압되지 않는 특성이 있습니다.

 

※ 배터리의 방수 시스템

배터리는 외부로부터의 수분 유입을 방지하기 위해

철저한 방수 시스템을 가지고 있습니다.

물이 유입되면 성능 저하의 문제뿐만 아니라

물과 리튬의 화학적 반응으로 인해 수소가스가 발생하고

이는 화재와 폭발의 위험성이 있기 때문입니다.

 

하지만 이런 식으로 철저하게 방수시스템을 적용하였기에

화재 발생 시 물을 부어도 배터리 내부에서 발생한 불을 끄기가 힘든 것이죠

 

오늘은 기존의 리튬이온배터리 형태 다음으로

차세대 배터리로 기대되고 있는 전고체 배터리에 대해 알아보겠습니다.

 

전고체 배터리

 

전고체 배터리(ASSLB)

1. 전고체 배터리란?

전고체 배터리는 말 그대로 배터리에 들어가는 소재가 전부 고체인 배터리를 뜻합니다.

따라서 기존에 배터리 4대 구조를 구성하는 양극, 음극, 분리막, 전해액의 구성에서

전고체 배터리는 양극, 음극, 고체전해질로 총 3가지의 구조만 남게 되는 것입니다.

 

※ 기존의 이온 이동 과정(충전 과정) 

액체 전해액을 매개로  양극에서 나온 리튬이온이

분리막을 거쳐 음극으로 이동

(이동 형태 : 고체 - 액체 - 고체)

 

※ 전고체 배터리의 이온 이동 과정(충전 과정)

고체 전해질을 매개로 양극에서 나온 리튬이온이

곧바로 음극으로 이동

(이동형태 : 고체 - 고체 - 고체)

 

전고체 배터리는 분리막이 없지만 고체 전해질이 양극과 음극을 차단하고 있기에

자연스럽게 그 역할을 대신하게 되는 것이죠.

 

2. 전고체 배터리의 성능

용량  UP

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 매우 높습니다.

 

양극제의 경우, 전극을 두껍게 하여 만드는 것이 가능해지기에 같은 면적당

더 많은 용량을 얻을 수 있습니다.

음극재의 경우, 흑연음극재에 실리콘을 소량(10~15%) 혼합하여 사용하지만

고체 전해질 사용 시 이를 50%까지 높일 수 있습니다.

 

최근 삼성 SDI의 연구 발표에 따르면 무음극 기술(Anode-less)을 소개하며

에너지 밀도를 기존과 비교하여 60%가량 높게 구현할 수 있다고 발표했습니다!

 

※ 무음극 기술(Anode-less)

충전 과정에서 나온 리튬이온이 음극기재로 이동하여 

음극층을 형성

→ 음극활물질의 불필요, 비용절감

 

전기차 사고와 화재  - 출저(부산소방재난본부)

 

안정성 UP

전고체 배터리는 폭발 및 발화 특성이 없는 매우 안전한 형태입니다.

현재 기존 리튬배터리의 화재의 주요 원인은 액체 전해질의 가연성 때문입니다.

하지만 고체 전해질은 불연성 물질이기에 화재의 위험성이 현저히 떨어지게 되죠.

만약 외부의 강한 충격을 받아 배터리가 심하게 손상된다고 해도 화재로 이어지지는 않습니다!

 

3. 전고체 배터리의 도전과제

용량과 안정성에서 우수한 성능을 보이지만,

아직 상용화를 하기에는 많은 어려움이 있는 기술입니다.

 

출력 저하

고체 전해질의 단점은 분자 구조가 액체보다 더욱 밀집되어 있기에

이온의 이동이 상대적으로 더 느려지게 됩니다.

 

액체 전해질에 비해 같은 시간 동안 더 많은 시간과 에너지를 소비해야 하죠.

결과적으로 전기차의 출력속도와 충/방전 속도가 느려지게 됩니다.

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가격 상승

전고체 배터리의 핵심이 되는 고체 전해질의 메인 소재는 황화물계입니다.

앞서 말한 출력의 문제가 되는 이온전도도가 높기 때문이죠.

하지만, 이 황화물의 가장 큰 단점은 수분에 취약하기에 공정 상에

수분이 없는 시설을 만들어야 합니다. 

 

즉, 공정 가격의 상승으로 인한 배터리 가격 상승이 우려되는 것이죠.

 

물론 고체전해질의 소재를 황화물계가 아닌 산화물계, 폴리머 등

다른 원료로 만들려는 연구가 이루어지고 있기에

가격 경쟁력을 갖추는데 긍정적인 방향이 있습니다!

 

오늘은 친환경적이며 미래에너지로 대두되는 전고체 배터리에 대해 알아보았는데요!

 

전고체 배터리 기술은 일본이 원조로 가장 많은 특허를 가지고 있습니다.

특히, 고체 전해질의 입자를 아주 작게 만들어

이온의 이동을 원활하게 하는 기술과 배터리 Cell 제작 기술은 세계 No.1입니다.

 

후발주지만 국내에서도 삼성 SDI, 현대, LG에너지설루션 등 연구가 활발히 이루어지고 있고

삼성 SDI의 발표에 따르면 2027년 전고체 배터리 대량 양산 체계가 마련될 것이라 발표한 만큼

국내 업체가 전고체 배터리 상용화를 성공할 것이라 기대하고 있습니다!

 

이상 흥. 재. 과. 였습니다!