차세대 2차 전지, 전고체 배터리를 소개합니다.

차세대 2차 전지 개발이 중요한 이유

전기차 산업에 대한 경쟁이 글로벌시장에서 치열하게 이루어 지고 있습니다. 전기차 산업에서 경쟁분야는 다양하지만 그 중에서 가장 차별화가 이루어지는 분야가 바로 2차 전지 분야입니다. 이는 국가별 회사별 배터리 기술력 격차가 크고 진입장벽이 높은 시장이기 때문입니다. 리튬 이온 배터리의 구성은 양극, 음극, 분리막, 전해질로 되어있습니다. 우리가 일상 생활에서 쓰는 스마트폰, 전기자동차, 전동 공구등에서 사용되는 배터리는 액체 전해질을 사용합니다. 하지만 전고체 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하는것이 아니라 고체 상태의 배터리를 말합니다. 

 

전고체 배터리를 알아보겠습니다.

 전지의 구조를 살펴보겠습니다. 대부분의 리튬 이온 배터리의 구조는 전지의 중앙에 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막으로 함께 구성이 되어있습니다. 이와는 반대로 전고체 배터리의 구조는 고체 전해질이 분리막의 기능을 수행하고 있습니다. 전고체 배터리의 가장 큰 장점은 안전성입니다. 기존의 배터리들은 액체 전해질을 사용하는 까닭에 온도 변화 또는 외부 충격 등으로 인한 손상이 발생할 경우 단락 등 화재 발생의 위험이 있습니다. 이러한 장점 때문에 전고체 배털 개발에 많은 기업들이 노력을 기울이고 있습니다. 현재 삼성 SDI 같은 기업에서 전고체 배터리의 상용화를 위하여 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 현재는 높은 에너지 밀도, 안정성이 높은 전지 개발의 가능성을 검증하였습니다. 삼성전자에서는 1회 충전으로 800km 이상의 주행거리가 가능한 연구 성과를 냈습니다.

 

전고체 전지의 종류와 특징

 다른 전지와 마찬가지로 전극의 재료가 동일하고 전지의 화학반응도 동일하게 발생합니다. 전고체 리튬 이온 전지는 무기 물질을 전해질로 사용하기 때문에 가연성 유기 용매를 이용하는 전지보다 높은 안정성이 보장됩니다. 전해질의 주요 재료로는 산화물계, 질화물계, 황화물계가 있다. 전도성이 높은 황화물계는 발화의 위험성이 있는 단점이 있습니다. 활물질의 형태는 얇은 막형과 벌크형이 있습니다. 이들은 구조적인 특징으로 얇은 막형은 저항이 작아져 효율성은 높아지지만 용량도 함께 작아지는 단점이 있습니다. 벌크형은 그와 반대로 저항이 높아 관련분야에서도 활용성을 위한 연구가 지속되고 있습니다. 전지의 주요 장점으로 안전성을 내세울 수 있습니다. 다음으로 사용온도의 범위가 넓으며, 소형화가 가능해 경량화의 장점을 가집니다. 이러한 장점 덕분에 기존의 리튬이온전지의 단점이 보완된 차세대 전지로 주목을 받고 있습니다. 전고체 전지의 단점으로는 내부 저항이 높다는 점인데 이 또한 개선을 위한 연구가 진행되고 있기 때문에 개선이 될 것으로 보입니다.

 

 

글로벌 경쟁 현황

 글로벌 기업들은 차세대 2차 전지인 전고체 배터리의 연구 개발에 박차를 가하고 있습니다. 일본 도요타는 2000년대 부터 연구를 시작하여 현재는 파나소닉과 합작사를 설립하여 계속 진행중입니다. 일본 경제산업성은 국가적인 차원에서 주도하여 연구개발이 활발하게 진행되고 있습니다. 미국의ㅣ 퀀텀스케이프는 약 200건의 전지 관련 특허를 가지고있습니다. 최근에는 산화물 고체 전해질을 활용하여 소형 전지를 공개 하기도 했습니다. 

 

 우리나라의 LG에너지 솔루션은 CTO를 통하여 리튬 황전지, 전고체전지 개발을 차세대 전지 개발 과제로 삼고 연구중입니다. 세계 시장 기준으로 EV용 배터리 시장 점유율은 20% 이상을 기록하고 있습니다. 경쟁사 대비 기술력을 바탕으로 높은 성능을 경쟁력으로 무장하고 글로벌 자동차 OEM 대부분을 고객으로 확보하였습니다. 신규 사업으로는 미래 신성장 동력 확보를 위한 노력을 하고 있습니다. 배터리 리싸이클/재사용 뿐 아니라 배터리 생애주기를 관리하는 프로젝트, 에너지 효율성 개선과 전력난 해소 목적의 프로젝트 또한 진행중입니다. 

 

 2차 전지 산업은 과거에는 노트북, 가전제품, 스마트폰 등에 국한되어 성장하였습니다. 하지만 글로벌 환경규제와 전기차 산업 지원을 위한 각국의 보조금 지원, 세제혜택 등을 통하여 급 성장하고 있는 추세입니다. 이에 EV용 전지가 2차 전지 시장을 선도하고 있습니다. 최근에는 미국의 IRA정책 등으로 우리 나라의 배터리 산업 또한 긴장의 끈을 놓지 못하였지만 높은 기술력으로 극복하고 있습니다.