전고체 배터리의 원리와 상용화가 가능한 이야기인가요?

Question

안녕하세요

전고체 배터리는 2차전지보다도 더 뛰어난 성능으로

알고 있습니다.

이 배터리의 원리와 실제로 상용화가 가능한지 알고 싶습니다.

Answer 1

안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.현재 전고체 배터리 기술은 연구와 개발 단계에 있습니다. 여전히 몇 가지 도전 과제가 남아 있으며, 상용화에 필요한 안정성, 신뢰성, 비용 등의 요소들을 고려해야 합니다. 그러나 전고체 배터리 기술의 발전은 혁신적인 에너지 저장 솔루션으로의 발전 가능성을 보여주고 있으며, 상용화에 대한 연구와 투자가 진행되고 있습니다. 미래에 상용화가 가능해질 수 있으나, 보다 지속적인 연구와 기술 발전이 필요합니다.

Answer 2

안녕하세요. 형성민 과학전문가입니다.

전고체 배터리는 전해질이 액체 대신 고체 상태로 되어 있습니다. 전해질은 이온을 전도할 수 있는 물질로, 전기 충전 및 방전 과정에서 이온의 이동이 필요합니다. 전고체 배터리는 고체 전해질로서 이온 이동을 가능하게 합니다. 일반적으로 리튬이나 나트륨 같은 이온이 전고체 내에서 이동하여 전기 에너지를 저장하고 방출합니다. 고체 전해질은 액체 전해질보다 안정적이고 안전성이 높으며, 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가질 수 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

전고체 배터리는 전해질을 사용하지 않는 배터리로, 고체 전해질을 사용하여 전기를 저장하고 방출합니다. 기존 리튬 이온 배터리와는 달리, 전해질이 액체가 아니기 때문에 누출이나 화재 등의 문제가 발생하지 않으며, 더욱 안전하고 성능이 우수합니다. 또한, 전고체 배터리는 충방전 횟수가 많아지더라도 충전 속도나 용량이 변하지 않는 장점이 있습니다.

하지만, 전고체 배터리의 경우 아직 상용화되지 않은 상태이며, 대규모 생산에 필요한 기술적인 문제가 많이 남아있습니다. 전고체 배터리의 전기 전도성이 낮아 충방전 속도가 느리다는 단점이 있으며, 전해질의 접합면에서 발생하는 내부 저항도 문제가 될 수 있습니다. 또한, 전고체 배터리의 제조 공정이 복잡하고 비용이 높아 생산량이 한정적이기 때문에, 상용화가 가능한 수준까지 기술적인 발전과 경제적인 효율성에 대한 논의가 필요합니다.

Answer 4

안녕하세요. 김태경 과학전문가입니다.

전고체 전지는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리다

현재 상용화를 위해 많은 개발이 이루어지고 있습니다

곧 상용화 될 것입니다

Answer 5

안녕하세요. 정준민 과학전문가입니다.

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리와 달리 액체 전해질을 사용하지 않고, 고체 전해질을 사용하여 전기를 저장하고 방출하는 기술입니다. 이러한 기술은 다양한 산업 분야에서 관심을 받고 있으며, 상용화가 가능한 가능성이 있습니다. 그러나 현재까지 상용화된 전고체 배터리는 제한적인 규모와 용량으로 제작되었습니다.

Answer 6

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.

배터리는 전기차의 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소다. 배터리가 전기차 제조원가에서 차지하는 비중도 40% 정도에 이른다. 세계 전기차 시장을 주름잡고 있는 미국의 테슬라가 해마다 신제품 등을 발표하는 날을 ‘배터리데이’라고 부르는 것도 이와 무관치 않다. 다만 전기차 배터리는 아직 내연기관을 완전히 대체할 수 있을 만큼의 성능을 내지 못하는 게 현실이다.

머지않아 얘기가 달라질 듯하다. 내연기관차에 견줘 뒤지지 않는 전기차가 등장할 전망이다. 커피 한 잔을 마시는 동안 100% 충전하고, 한 번 충전으로 최대 800㎞를 달릴 수 있는 전기차 말이다. 한·미·일을 중심으로 ‘긴 충전 시간, 짧은 주행거리’라는 전기차의 단점을 획기적으로 개선할 수 있는 ‘꿈의 배터리’ 개발 열기가 뜨겁기 때문이다.

전기차 배터리는 기본적으로 양극(+)과 음극(-) 사이를 리튬이온(Li-ion)이 오가며 충전과 방전하는 원리다. 이때 리튬이온이 오가는 도로 역할을 하는 ‘전해질’이 배터리의 성능을 좌우한다. 현재 전기차에 쓰이는 전해질은 액체다. 가격은 저렴하지만 충전 시간이 길고, 용량이 적은 게 한계다. 배터리 용량에 따라 다르지만, 대개 100% 충전(완충)하는데 2~3시간 넘게 걸리고 한 번 충전으로 300㎞ 정도를 달릴 수 있다. 특히 전해질 자체가 발화점이 낮은 액체여서 열이나 충격을 받으면 폭발할 수 있다. 최근 국내외에서 발생한 전기차 화재의 주요 원인도 배터리다.

리튬이온 배터리 충전시간 길고 저용량

이 같은 단점을 개선할 수 있는 방식이 전해질을 고체로 바꾼 ‘전고체 배터리’다. 원리는 기존의 리튬이온 배터리와 같지만, 전해질이 액체에 비해 발화점이 높은 고체여서 폭발 위험성이 낮다. 또 충전 시간이 짧은 데다 성능은 더 뛰어나고 부피를 줄일 수 있어 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 이호근 대덕대 자동차학과 교수는 “현재까지 개발된 전기차 배터리 가운데 가장 진보한 형태”라며 “전고체 배터리와 같은 차세대 배터리의 주도권을 누가 가져가느냐에 따라 시장의 판도가 바뀔 수 있다”고 설명했다.

그래픽=박춘환 기자 [e-mail]

그래픽=박춘환 기자 [e-mail]

현재 약 40조원 규모인 전기차 배터리 시장은 한·중·일이 삼등분하고 있다. ‘게임 체인저’인 차세대 배터리는 현재의 시장 판도를 완전히 뒤바꿔 놓을 수 있다. 이 때문에 기존 자동차 배터리 강자인 한·중·일은 물론 미국이나 독일의 배터리·완성차 업체까지 전고체 배터리 개발에 몰두하고 있다. 상용화에 가장 앞서 있는 나라는 일본이다. 일본은 리튬이온 배터리에서 한국과 중국에 주도권을 빼앗기며 자존심을 상했던 만큼 전고체 배터리 개발에 더욱 적극적이다. 일본의 도요타는 지난 12월 11일 자체 개발한 전고체 배터리를 공개했다. 도요타에 따르면 이 배터리는 단 10분이면 완충할 수 있고, 1회 충전으로 500㎞를 달릴 수 있다.

특히 도요타가 갖고 있는 전고체 배터리 관련 특허는 1000개가 넘는다. 전고체 배터리 개발로 가는 길목 곳곳을 도요타가 특허로 가로막고 있어 후발주자가 난항을 겪고 있다는 게 업계의 설명이다. 한 완성차 업체 관계자는 “도요타는 그동안 전기차에 관심이 없는 것처럼 보였지만 일찌감치 배터리 개발에 매달려왔다”며 “제대로 된 배터리만 만들면 언제든 전기차 시장을 뒤집을 수 있을 것으로 내다본 것”이라고 분석했다. 실제로 도요타는 올해 세계 최초로 전고체 배터리를 장착한 전기차를 공개하고, 1~2년 내에 양산한다는 목표다.

그동안 전기차 배터리 분야에서 존재감이 미미했던 미국도 전고체 배터리 완성 단계다. 전기차 배터리 스타트업인 퀀텀스케이프는 지난 12월 8일 개발 중인 전고체 배터리가 15분 안에 80%를 충전할 수 있는 수준에 이르렀다고 밝혔다. 1회 충전으로 약 300마일(483㎞)을 달릴 수 있고, 수명도 12년에 이른다. 퀀텀스케이프는 빌 게이츠 마이크로소프트 창업자와 독일 폴크스바겐이 투자한 회사다. 폴크스바겐은 2025년께 권텀스케이프의 전고체 배터리를 장착한 전기차를 선보일 계획이다. 자그딥 싱 퀀텀스케이프 최고경영자는 “전고체 배터리 개발에 성공하면 테슬라도 우리 제품을 사용하고 싶어 할 것”이라고 말했다. 삼성·현대자동차가 투자한 미국의 솔리드파워도 2026년께 전고체 배터리를 상용화할 계획이다.

전고체 배터리 특허 비중 일본이 54%

일본이나 미국에 비하면 국내 업체의 전고체 배터리 상용화는 다소 뒤쳐진 느낌이다. 삼성SDI는 지난해 5월 1회 충전에 800㎞를 주행할 수 있는 전고체 배터리 연구 성과를 공개했다. 삼성SDI는 이 연구를 바탕으로 2027년께 전고체 배터리를 양산한다는 계획이다. LG에너지솔루션도 지난해 실적 컨퍼런스콜에서 2028~2030년께 전고체 배터리를 상용화하겠다고 밝혔다.

한·미·일 주요 배터리 관련 업체의 이 같은 차이는 관련 특허에서도 확인할 수 있다. 유럽특허청(EPO)과 국제에너지기구(IEA)에 따르면 전고체 배터리의 국제 특허 중 국가별 비중은 일본이 54%, 미국 18%, 한국 12%다.

그렇다고 한국의 새로운 수출 효자 상품으로 등극한 ‘K-배터리’가 경쟁력을 잃어가고 있는 건 아니다. 전고체 배터리 상용화까지는 넘어야 할 산이 아직 많은 데다 계획대로 된다고 해도 2~3년의 시간이 남아 있다. 전고체로 넘어가는 과도기에 기존의 리튬이온을 대체할 만한 배터리가 마땅치 않은데, 이 분야에선 K-배터리가 한 발 앞선다는 평가다. LG에너지솔루션이 올 상반기 세계 최초로 상용화할 ‘니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA) 배터리’나 삼성SDI의 ‘니켈·코발트·알루미늄(NCA) 배터리’가 대표적인 예다.

NCMA·NCA는 니켈 함량을 높인 ‘하이니켈’ 배터리로, 주행거리가 기존 배터리보다 100㎞ 이상 늘어난다. 안정성도 높여 전고체 배터리 상용화 전까지 전기차 배터리시장의 대세가 될 것이라는 전망이다. 실제로 현대차를 비롯해 미국의 GM·테슬라 등이 올해 하이니켈 배터리를 장착한 전기차를 선보일 계획이다. 정원석 하이투자증권 연구원은 “올해는 특히 고성능·중대형 전기차 배터리 수요가 크게 증가할 전망으로, 성능과 안정성을 높인 하이니켈 배터리에 대한 수요가 늘어날 것”이라고 내다봤다.

Answer 7

안녕하세요. 김태헌 과학전문가입니다.

첫째, 안전성 확보입니다. LIB가 위험한 이유는 화재 발생 시, 전소를 할 때까지 탄다는 것입니다. 양극과 음극이 만나 short가 발생하면, 전자가 급격히 이동하면서 스파크가 발생하고 화재로 이어집니다. 이때 액체 전해질이 열에 반응하여 분해되면서, 촉매제 역할을 합니다. 이로 인해 셀에 불이 붙으면, 중간에 화재 진압이 어려운 이유입니다.

​

ASB(전고체)는 전해질을 액체에서 고체로 변화시킴으로, 열에 분해되는 현상을 방지합니다. 또한 온도 변화에 따른 증발이나 외부 충격에 의한 누액 위험이 없어 높은 안전성을 확보가능합니다.

​

두번째는 높은 에너지 밀도를 구현입니다. LIB는 여러개의 전지를 직렬 연결해야 합니다. 그에 따른 추가 부품이 필요로 합니다. 이와 반대로 ASB는 적층 가능한 바이폴라 구조로, 공간의 축소를 이룰 수 있습니다. 즉, 적층을 통한 단전지화 구현과 추가 부품 사용(와이어, BMS 등)의 감소로 모듈 및 팩의 경량화를 이룰 수 있습니다.

​

또한 분리막이 별도로 필요하지 않습니다. 이로 인해 분리막 대신 전극을 더 많이 채울 수 있습니다. 이때 고체 전해질의 열에 의한 변형과 수축 팽창 정도가 적다는 장점도 공간활용도를 높입니다. 이와 같은 이유로 같은 면적에 채울 수 있는 셀의 용량이 변화하면서 높은 에너지 밀도가 구현 가능합니다.