전고체 배터리의 이해 | 배터리 구조, 원리, 장점, 연구 과제

안녕하세요 기어투워드입니다.

 

 

전기차에 탑재되는 배터리 중 안전성을 겸비한 차세대 배터리라고 불리는 전고체 배터리에 대해 아시나요?

오늘은 많은 배터리 업체들이 시장 선점을 위해 연구개발에 힘쓰고 있는 전고체 배터리의 구조와 원리, 그리고 장단점에 대해 알아보겠습니다.

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전고체 배터리 (Solid State Battery)

 

전고체 배터리란 리튬 이온 배터리의 전해질이 기존에 사용되고 있는 액체가 아닌 고체 상태인 배터리를 뜻합니다.

이해가 쉽도록 먼저 배터리 구조에 대해 간단하게 알아보겠습니다.

 

| 배터리의 구조

2차 전지라고 불리며 현재 전기차에 가장 상용화되어 있는 리튬 배터리는 크게 양극재, 전해질, 분리막, 음극재로 구성되어 있습니다. 구성 요소를 어떤 원소재를 사용하여 만드냐에 따라 배터리의 종류 구분되기도 합니다. 구성 요소별 역할과 원소재는 아래와 같습니다.

 

구 분	역 할	원소재
양극	배터리의 용량과 평균 전압을 결정	리튬, 니켈, 코발트, 망간, 인산, 철 등
음극	양극에서 나온 리튬이온을 저장/방출하면서 외부로 전류를 흐르게 함	흑연, 실리콘 등
분리막	양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할	폴리올레핀, 폴리프로필렌 등 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재
전해액	이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체	유기용매, 전해질염, 첨가제 등

 

 

| 전고체 배터리

전고체 배터리는 위에서 설명드린 4가지 구성 요소 중 전해질이 고체 형태이며 분리막이 없는 배터리를 뜻합니다. 배터리의 화재 발생은 주로 외부 충격이나 리튬의 이동 간에 생성되는 덴드라이트로 인해 분리막에 균열이 발생하여 양극과 음극과 접촉할 때 쇼트로 인해 발생하는데 전고체 배터리의 경우 고체 형태의 전해질이 분리막 역할을 대신하여 양극과 음극을 분리하여 화재 안정성을 띄는 게 특징이며 차세대 배터리로 불리는 이유 중 하나입니다.

※ 덴트라이트에 대해서는 아래 포스팅을 참고하시기 바랍니다.

덴드라이트 (Dendrite) 현상의 이해 | 배터리 구조, 배터리 충전&방전 원리, 배터리 화재 원인

 

| 전기차 배터리 유형

전해질의 특성에 따라 배터리의 종류가 구분되는 것처럼 양극재와 음극재의 원소재 종류에 따라서도 배터리 종류가 나눠지며 현재까지 상용화되고 차세대 배터리로 연구개발 중인 종류는 아래와 같습니다.

 

	양극재	음극재	분리막 여부	전해질	특 징
삼원계 배터리 (NCM)	니켈, 코발트, 망간, 알루미늄	흑연, 실리콘	O	액체	높은 에너지밀도와 주행거리
인산철 배터리 (LFP)	철, 인	흑연, 실리콘	O	액체	저렴한 가격, 높은 안전성
리튬메탈 배터리 (LMB)	제조사마다 상이	리튬금속(메탈)	O	반고체 or 고체	차세대 배터리
전고체 배터리 (SSB)	제조사마다 상이	제조사마다 상이	X	고체	차세대 배터리

 

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전고체 배터리 - 장점과 연구 과제

 

전고체 배터리는 현재 리튬 이온 배터리가 가지고 있는 단점을 모두 커버할 정도로 성능이 뛰어난 배터리로 현재까지 확인된 주요한 단점이 없기 때문에 오늘은 전고체 배터리의 장점과 현재 달성이 필요한 연구 과제를 설명드리겠습니다.

 

• 장점 1. 높은 안전성

전고체 배터리는 앞서 설명드렸다시피 전해질 자체가 고체로 기존 분리막 역할을 함으로써 높은 안전성을 자랑합니다.

많은 소비자가 전기차의 주행거리와 충전 문제로 구매를 주저하고 있지만 최근 발생한 전기차 화재 사고 또한 구매에 큰 영향을 주고 있는데 전고체 배터리를 적용하여 안정성을 높이게 되면 전기차 상용화에 박차를 가할 수 있을 것입니다.

 

• 장점 2. 높은 에너지밀도

전고체 배터리는 기존 배터리의 안전장치였던 냉각 및 안전 관련 부품들을 줄일 수 있고 특히 분리막을 제거할 수 있기 때문에 높은 에너지밀도를 가지고 있습니다. 또한 고체 전해질은 기존 대비 실리콘 함량이 더 높은 음극재를 사용할 수 있어 기존 대비 약 30~50%가량 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.

 

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• 연구 과제 1. 낮은 이온 전도도

전해질은 리튬 이온의 이동 수단으로 배터리 성능은 이 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 이온 전도도가 높아야 하는데 고체 전해질은 특성상 이온전도도가 낮습니다. 전해질 자체가 고체인 관계로 양극과 음극과의 밀착성이 떨어져 내부 저항을 증가시키고 이는 배터리의 성능 저하를 야기하기 때문에 양극/음극과 고체 전해질과의 접촉을 최대화하는 것이 첫 번째 과제입니다. 

 

• 연구 과제 2. 높은 재료비

기존 리튬이온 배터리 구성에서 분리막이 삭제되지만 고체 전해질 자체가 액체 전해질 대비 약 10배가량 되어 높은 재료비가 또 다른 과제입니다. 또한 고체 전해질을 적용하게 되어 셀 제조 과정에서 기존 대비 높은 압력과 온도를 필요로 하여 이를 뒷받침할 양산 설비를 구축하는데 발생하는 비용을 고려했을 때 단순 원자재 가격뿐만 아니라 생산 비용에서 오는 재료비 상승도 큰 상황입니다.

 

| 국내 배터리 3사 전고체 개발 상황

LG에너지솔루션, SK ON, 삼성 SDI 등 많은 배터리 기업들이 연구개발에 박차를 가하고 있는데요. 각 기업별 현재 전고체 개발 상황은 아래와 같습니다.

 

	개발 상황
LG에너지솔루션	- 미국 샌디에고 대학과 전고체 상온 고속충전 기술 확보 - 2026년 고분자계 전고체 배터리 상용화 목표 - 2030년 황화물계 전고체 배터리 상용화 목표
삼성SDI	- 삼성종합기술원 1회 충전 800km이상 주행가능 기술 확보 - 삼성종합기술원 1000회 이상 충방전 가능한 전고체 기술 확보 - 2027년 황화물계 전고체 배터리 상용화 목표
SK ON	- 미국 솔리드파워와 전고체 배터리 공동개발 - 이승우 조지아공대 교수와 전고체 배터리 개발 협업 착수 - 2030년 이전 황화물 전고체 배터리 상용화 목표

 

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WRAP-UP

 

오늘은 전기자동차의 핵심 부품인 차세대 배터리인 전고체 배터리에 대해 알아봤습니다.

장점을 최대화하고, 단점을 최소화하여 미래에 나올 전기차에 하루빨리 적용되었으면 좋겠습니다. 

 

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