전고체배터리로 만들게 되면 에너지밀도를 훨씬 높일 수 있다고 하는데 그 이유가 무엇인가요?

Question

여전히 꿈의 배터리로 전고체배터리를 시장에서 매우 주목하는데요. 그렇다면 전고체배터리는 일반 흔히 우리가 쓰고 있는 전해질형태의 액체배터리보다 밀도를 몇배나 높일 수 있고 이로 인해서 1000km이상이나 2000km까지도 갈 수 있게 만들수 있다고 하는데 그 이유가 무엇인지 원리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

전고체배터리가 에너지밀도를 획기적으로 높일 수 있는 구조로 평가받는 이유는 배터리 내부 설계를 근본적으로 바꿀 수 있게 해 주기 때문입니다. 배터리에서 말하는 에너지밀도는 보통 두 가지로 나뉘는데요 질량 에너지밀도는 같은 무게로 얼마나 많은 에너지를 저장하느냐를 말하는 것이고 부피 에너지밀도는 같은 부피로 얼마나 많은 에너지를 저장하느냐를 말합니다. 전기차 주행거리를 좌우하는 핵심은 결국 차에 실을 수 있는 무게와 부피 안에 얼마나 많은 에너지를 넣을 수 있느냐입니다. 지금 우리가 쓰는 리튬이온 배터리는 대부분 액체 전해질을 사용하는데요, 액체 전해질은 인화성과 누액 위험이 있기 때문에, 실제 배터리 팩에는 필수로 두꺼운 분리막, 냉각 시스템, 강한 케이스, 안전 여유 공간이 필요하며 이들은 에너지를 저장하지 않으면서 무게와 부피만 차지합니다. 반면에 전고체배터리는 전해질을 고체로 바꾸면서, 단순한 소재 교체가 아니라 배터리 설계 철학 자체를 바꿀 수 있게 됩니다. 이 고체 전해질은 불연성이며 누액이 없다는 특성을 가집니다. 그래서 과도한 냉각 시스템, 두꺼운 보호 케이스, 안전 여유 공간을 줄일 수 있습니다. 이는 같은 차체 공간에 배터리 셀을 더 많이, 더 빽빽하게 넣을 수 있다는 뜻입니다. 현재 상용 리튬이온 배터리의 셀 에너지밀도는 대략 250~300 Wh/kg 수준인데요 전고체배터리가 목표로 하는 수치는 400~500 Wh/kg, 일부 로드맵에서는 그 이상입니다.

즉, 이론적으로는 약 1.5~2배 수준이며 시스템 전체 기준에서도 1.3~1.7배 이상의 개선 가능성이 있습니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

전고체배터리가 기존 액체 전해질 배터리보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 가질 수 있는 이유는 배터리의 구조와 재료 선택에서 오는 근본적인 차이에 있습니다.

현재 우리가 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하기 때문에 안정성 문제가 있습니다. 액체 전해질은 가연성이 있고 누액 위험이 있어, 음극으로는 상대적으로 안전한 흑연을 주로 사용합니다. 하지만 흑연은 이론적으로 저장할 수 있는 리튬의 양이 제한적이어서 에너지 밀도에 한계가 있습니다.

전고체배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 훨씬 안정적입니다. 이 안정성 덕분에 리튬 금속 음극을 사용할 수 있는데, 리튬 금속은 흑연보다 약 10배 가까운 이론적 용량을 가지므로 에너지 밀도를 크게 높일 수 있습니다. 또한 고체 전해질은 더 높은 전압에서도 안정적으로 작동할 수 있어, 고전압 양극 재료와 결합할 수 있습니다. 이로 인해 배터리 전체의 전압 창이 넓어지고 저장할 수 있는 에너지가 증가합니다.

게다가 전고체배터리는 구조적으로 액체 전해질 배터리보다 단순하고 치밀하게 설계할 수 있습니다. 액체 전해질 배터리에는 분리막과 안전 설계가 필요해 공간 효율이 떨어지지만, 전고체배터리는 이러한 제약이 줄어들어 같은 부피 안에 더 많은 에너지를 담을 수 있습니다.

이러한 이유들로 전고체배터리는 기존 리튬이온 배터리의 약 250 Wh/kg 수준을 넘어, 이론적으로 500 Wh/kg 이상까지 가능하다고 합니다. 결과적으로 전기차에 적용하면 현재 400~600km 수준의 주행거리를 1000km 이상, 이론적으로는 2000km까지도 늘릴 수 있다고 합니다.

즉, 전고체배터리가 꿈의 배터리라 불리는 이유는 리튬 금속 음극 사용 가능성, 고체 전해질의 안정성, 구조적 효율성이 결합되어 기존 배터리의 한계를 뛰어넘을 수 있기 때문입니다.