전기차의 한계를 뛰어넘다, 전고체 배터리

전기차의 한계를 뛰어넘다, 전고체 배터리

18기 최별 19기 권승호 김수정 이수연 임하영

 

[전기차, 기술개발 한계에 임박하다!]

"전기차가 기술개발 한계에 임박했다고?"

요즘 주식 시장부터 국민들 사이까지 그 유망성으로 떠들썩한 게 바로 '전기차'인데 그게 무슨 소리냐며 의아해할 이들이 많을 수도 있겠지만 위의 말이 사실 영 틀린 말은 아니다. 지금 이대로의 전기차라면 정말 기술 개선 및 개발의 한계에 다다를지 모른다. '전기차' 자체 때문은 아니고 사실 전기차에 이용되고 있는 '리튬이온전지' 때문이다. 따라서 이번 기사에서는 리튬이온전지의 한계를 대체할 신기술인 '전고체 배터리'에 대해 소개하고자 한다. 

“리튬이온전지란 뭘까?”

가벼운 무게, 원활한 출력과 높은 전압, 상온에서의 고효율로 배터리로서의 막강한 장점들을 자랑하던 리튬이온전지는 전기차 외에도 현재 우리들의 휴대폰이나 노트북을 포함한 각종 전자기기에 광범위하게 사용되고 있는 대표적인 배터리이다. 하지만 이렇게 화려했던 리튬이온전지는 ‘안전성’에 있어서 더이상은 '좋은 기술'로 여겨지기 어려워졌는데 그 이유는 열과 충격에 약해 폭발이나 화재의 위험을 갖고 있기 때문이다. 전기차의 단점을 언급할때 가장 먼저 언급되던 "폭발하면 어떡하나요?"의 원인 제공자라 볼 수 있다. 

리튬이온전지가 이러한 위험성을 갖는 이유는 그 구조와 원리 때문이다. 해당 전지는 양극과 음극 사이에 분리막을 놓고 그 양옆에 액체 형태의 전해질을 채운 구조로 이루어져 있는데 리튬이온이 전해질을 통해 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기가 생성된다. 이때, 전지에서 양극과 음극의 접촉을 막는 분리막은 매우 얇은 두께로 되어있어 훼손되기 쉬운데, 분리막이 훼손되면 전해액이 흘러나와 양극과 음극이 서로 반응하게 되고 이후 열을 발생시켜 화재나 폭발의 가능성이 생기게 되는 것이다. 

그렇다고 분리막을 두껍게 만들 수도 없다. 리튬이온이 원활하게 분리막 사이를 오가야 전기의 생성이 원활해지는데, 이를 두껍게 만들면 배터리 효율이 크게 떨어지기 때문이다. 즉, 배터리의 안정성을 보장하며 효율만을 올리기에 구조적으로도, 원리 측면에서도 어려워 개발의 한계점을 갖는 것이다. 현재 배터리 제조사들에서는 안전을 위해 배터리 안에 여러 안전장치를 내장시키고 있지만, 이 또한 배터리의 크기 대비 에너지 저장용량을 줄이는 요인이 되어 효율을 높이는 데에 장애가 될 수밖에 없다. 또, 이외에도 리튬이온전지는 전지 여러 개를 직렬로 연결해야 에너지 용량이 커지는 특성이 있어 용량을 늘리기 위해서는 공간이 너무 많이 필요하다.

 

[전고체 배터리란?]

리튬이온전지는 가볍고 반응성이 높은 리튬의 성질 덕분에 현재까지 2차전지 시장을 주도해왔다. 하지만 리튬이온전지에 사용되는 액체 전해질은 외부 충격∙노후화로 인한 폭발 및 화재 위험성이 있어 배터리의 안정성 문제를 해결해주지는 못하고 있다. 이에 전기차 업계에서는 앞으로의 핵심 성장 동력으로 ‘전고체 배터리’를 꼽았다. 그렇다면 전고체 배터리는 무엇이며, 왜 차세대 배터리로써 주목받고 있는 것일까?

1990년대 중반 일본에서 처음 고안된 전고체 배터리는 이후 연구가 진행되었으나 성능, 가격 등의 문제로 상용화되지는 못했다. 하지만 최근 글로벌 전기차 시장의 확대로 고성능 배터리 개발의 필요성이 증대되면서 다시금 주목받고 있으며 현재 한국은 삼성SDI, 일본은 도요타를 중심으로 전고체 배터리 개발에 속도를 내고 있는 상황이다. 

전고체 배터리는 앞서 설명한 리튬이온전지의 구성요소 가운데 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것이다. 다시 말해, 전지의 양극과 음극 간 이온을 전달하는 전해질을 고체로 사용해 전지의 구성요소가 모두 고체로 되어있는 2차전지 형태인 것이다. 이러한 고체 전해질은 전해질과 분리막의 역할을 동시에 하기 때문에, 배터리를 얇게 만들 수 있을 뿐 아니라 폭발의 위험이 없어지며 다양한 형태로도 제작이 가능하다. 

[자료 1. 리튬이온전지와 전고체 배터리 비교]

출처: 동아일보

[고체전해질 종류에 따른 장단점]

현재 전고체 배터리에 사용될 고체 전해질의 소재로 연구되고 있는 것은 황화물계(LGPS), 산화물계(LLZO), 폴리머계(Polymer) 등이 있으며 각 종류에 따라 다음과 같은 장단점을 갖는다. 

[자료2. 고체 전해질의 종류별 장단점]

출처: 전자부품연구원, 키움증권

<황화물계>

 지금까지 고체 전해질은 액체 전해질에 비해 이온전도도가 낮다는 것이 그 한계점으로 지적되어 왔다. 하지만 2011년 일본 동경대는 상온에서 유기 액체 전해질과 동등한 수준의 높은 전도도를 가진 황화물 고체 전해질을 개발하였고, 이에 따라 황화물계는 전고체 배터리에 가장 적합한 고체 전해질로 주목받고 있다. 높은 이온전도도 외에도 유연한 소재 때문에 다양한 형태로 공정에 적용하기 쉽다는 장점을 가진다. 그렇지만 황화물계 소재의 가장 큰 단점은 높은 수분 반응성이다. 이로 인해 공기 중에서의 반응성이 높아지며, 유해가스인 황화수소 가스가 발생하게 된다. 따라서 대기 중에서 소재의 상태가 불안해지면 대량 양산이 어려우므로, 결국 셀 제조 공정에서 실내 습도 제어가 가장 중요한 요소로 작용하게 된다.

 

<산화물계>

산화물계는 리튬, 란타넘, 지르코늄, 산소 등을 기본 물질로 사용한다. 또한, 세라믹과 같은 딱딱한 소재가 사용되기 때문에 기계적 강도가 높고 공기 중 안전성이 우수하다.  반면 산화물계 소재는 세라믹 특유의 딱딱한 재질과 다결정 구조 때문에 전극과 전해질 간 접촉 계면이 형성되기 어렵다. 이로 인해 고체 전해질의 입계 저항이 커지고, 이온전도도가 황화물 소재의 10분의 1 수준으로 매우 낮아진다. 또한 1,000℃ 이상의 고온 열처리 공정이 필요하고, 셀을 대형화하기 어려워 생산 공정 과정에 큰 어려움이 있다.

*다결정 구조 : 배열 방향이 서로 다른 조그만 단결정들의 집합. 즉, 부분적으로 균일한 결정을 갖는 것을 말한다.

*입계 저항(grain boundary resistance) : 방향이 서로 다른 2개의 결정 경계 사이에 걸리는 저항

 

<폴리머계>

드라이 폴리머와 겔 폴리머 두 가지로 분류할 수 있는 폴리머계는 이미 시장 검증을 받은 기존 리튬 이온전지의 폴리머 기술을 적용할 수 있어 활용성이 높다. 전지의 폭발을 유발하거나 수명을 단축시킬 수 있는 *덴드라이트 생성을 최소화해 안정적이며 상대적으로 저렴한 제조원가도 강점으로 꼽힌다. 하지만 드라이 폴리머의 경우 리튬 이온전도도가 낮고 고온 환경에서만 사용 가능하다는 큰 제한이 있다. 겔 폴리머의 경우 드라이 폴리머보다 리튬 이온전도도가 양호한 편이지만, 전기차의 주요 화재 발생 원인이 되는 단락이 우려된다는 단점이 있다.

*덴드라이트: 리튬금속 표면에 생기는 나뭇가지 형태의 결정

*덴드라이트 현상: 쌓인 덴드라이트가 배터리 분리막을 훼손시키면서 배터리의 성능을 저하시키는 현상

*단락(short-circuit) : 전선이 서로 붙어버린 현상

 

[자료3. 고체 전해질 종류별 특성 비교]

출처: Nature Rev.Master , 키움증권

 결론적으로 아직 세 종류의 전해질 모두 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있을 정도로 상용화되기에는 부족하다. 이는 고체 전해질의 특성을 비교한 그래프에서도 쉽게 알아볼 수 있다.

 

 

[전고체 배터리 왜 개발해야할까?]

이러한 전고체 배터리의 가장 큰 장점은 대표적으로 안정성이 높고 충전용량이  크다는 것과 저온에서도 높은 효율을 유지한다는 점이 있다.

 “안전제일!”

 배터리의 4대 재료(양극, 음극, 전해액, 분리막)에 기반한 2차전지와는 달리 전고체 배터리는 전해액과 분리막을 없애고 이들을 고체 전해질로 대체한다. 이에 따라 배터리가 구조적으로 단단해 안정적이며 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 장점을 극대화 시킬 수 있다.

[자료 4. 리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우) 구조]

출처: 삼성SDI

“용량도 놓칠 수 없다!”

전기차가 내연기관차를 대체하여 확실한 대세가 되기 위해선 현재의 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하기 때문에 전기차용 배터리 용량을 증가시키는 것이 가장 중요하다. 배터리 용량을 증가시키는 방법에는 배터리 개수를 늘리는 경우와, 부피당 에너지 밀도를 높이는 방법 2가지가 있다.

이 중 먼저 배터리 개수를 늘리는 방법은 실질적으로 배터리 수를 증가시키면 배터리 가격이 상승되고, 공간 효율성이 저하되기 때문에 실현하기 어려운 방법이다. 따라서 에너지 밀도를 높이는 방법을 사용하는 것이 좋은데 이 방법에 전고체 배터리가 더 용이하다. 그 이유는 전고체 배터리는 안정성이 높아 기존 리튬이온 배터리에 필수적으로 내장되어있던 안전장치 부품들을 줄일 수 있고 나아가 그 자리에 배터리 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채울수 있기 때문이다. 따라서 전고체 배터리는 에너지 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤이다.

[자료 5. 리튬이온배터리(좌)에 비해 에너지 밀도를 높이기 쉬운 전고체배터리(우)]

출처: 삼성SDI

“추위에도 강하다!”

현재 리튬이온배터리를 사용하는 전기차의 가장 큰 문제라고 할 수 있는 것이 바로 ‘겨울철 배터리 성능 저하‘이다. 리튬이온 배터리의 경우, 내부에 있는 액체 전해질이 온도에 영향을 받아 리튬 이온의 이동에 영향을 주기 때문에 배터리의 효율이 떨어지게 된다. 또, 이를 보완하기 위한 배터리 히팅 시스템 등을 적용하게 되면 전기차 가격이 상승하게 된다. 실제로 테슬라 Model X의 경우 충전이 50% 된 상태로 밤에 추운 곳에 세워두면 다음날 아침에는 충전율이 30%로 내려간다고 한다.

반면 전고체 배터리의 경우, 고체 전해질을 사용하기 때문에 유기 전해액에 비해 온도에 대한 영향이 적어 저온상황에서도 상온과 동일한 배터리 효율을 발휘한다.

 

[전고체 배터리, 도대체 뭐가 문제길래?]

이렇듯 전고체배터리가 리튬이온 배터리보다 우수한 장점이 있음에도 불구하고 먼저 상용화되지 못한 이유는, 바로 고체 특성상 생길 수 밖에 없는 전고체배터리의 낮은 이온전도도 때문이다. 앞에서 설명하였듯이 고체 전해질이 전해질과 분리막 역할을 동시에 하게 되면서, 활물질 간의 반응 면적이 감소하는 결함이 발생한다. 이로 인해 결과적으로 전고체배터리의 성능이 저하되는 것이다. 또한 아직까지는 고체 전해질이 분리막을 포함하고 있는 액체 전해질 보다 원가가 높고, 셀을 제조하는 과정에서 높은 압력과 온도를 필요로 하기 때문에 생산비용이 높아 상용화되는데에 큰 장벽이 되고 있다.

*활물질 : 전지의 전극 반응에 관여하는 물질

[자료 6. 리튬이온전지와 전고체배터리의 장단점 정리]

출처: 동아사이언스

[전고체 배터리, 어디까지 왔을까?]

전고체 배터리는 안전성, 용량, 설계 자유도 등 다양한 수요를 충족할 수 있어,차세대 배터리의 메가트렌드로서 시장 성장을 주도할 전망이다.현재 전고체전지 세계 시장 규모는 2017년 기준 5천300만 달러이며 앞으로는 연평균 49%씩 꾸준히 성장하여 2025년에는 14억8백만 달러 규모에 도달할 것으로 예상된다.

[자료 7. 전지별 특성 및 국내외 개발기관]

출처: KIET

이미 일본에서는 2019년 파나소닉과 합작사를 설립하여 전고체전지를 탑재한 전기차를 개발하기 시작하였다. 본래  2020년 8월에 예정되어있던 도쿄올림픽에서 선수촌 내를 운행하는 자율주행 버스 'E-palette'에 탑재할 예정이었으나 코로나 19로 올림픽이 연기되면서 공개일정이 지연되었다. 또, 충방전시 내구성 문제와 성능 구현에 어려움을 겪는 것으로 알려지면서 출시시기가 2025년 이후로 연기될 것이라는 전망도 존재한다. 하지만 합작사를 통해서 하이브리드 전기차용 배터리를 생산하면서 양산 품질을 높인 후 전고체 전지를 생산할 예정이다.

또한 일본 도요타 자동차에서도 산학협력 공동개발을 통해 황화물계 고체 배터리 개발을 진행하고 있다. 이미 상당한 기술개발 성과를 이루어 전고체 전지의 전기자동차를 시험 주행하고 있으며, 2022년 전고체 전지의 전기자동차를 출시할 목표를 세우고 있다.

[자료 8. 국내업계의 전고체전지 관련 특허]

출처: KIET

한편 국내에서는 삼성 SDI, LG화학, 현대 기아 자동차등이 전고체 배터리 개발에 힘쏟고 있으며, 그에 따른 전고체 배터리 관련 특허가 삼성SDI는 50건, 현대자동차에서는 48건, LG화학 25건, RIST는 16건 소유하고 있다.

그 중 현대 기아차에서는 2017년경부터 남양기술연구소에서 약 30여명의 연구원으로 구성된 배터리선행개발팀을 중심으로 리튬이온전지를 대체할 수 있는 전고체 전지를 개발중이고, 삼성전자에서는 2020년 3월 전고체 배터리 음극소재로 활용이 되는 리튬 금속의 문제점인 덴드라이트 현상을 해결할 수 있는 기술을 개발하여 국제 학술지 '네이처 에너지'에 발표하였다.

 

[전고체 배터리, 상용화는 언제쯤?]

현재 전기차 시장이 확대됨에 따라 글로벌 배터리 제조사들은 리튬이온 기반의 전기차 배터리 시장 선점을 위해 공격적인 대규모 설비투자를 진행중인 상황이다. 최근에는 리튬이온전지의 발달에 따라 프리미엄 모델을 중심으로 주행거리 500km 이상의 전기차도 출시 되고 있고, 내연기관 차량과의 격차가 점점 줄어드는 추세이기 때문에 전고체 전지의 상용화는 대략 2030년부터 대형 상용차량을 중심으로 서서히 이루어질 전망이다. 이처럼 기존 리튬이온전지에 대한 본격적인 시장 확대와 함께 지속적인 성능의 개선이 이루어지고 있어 단기간 내 전고체전지로의 시장전환은 어려워 보인다.

하지만 전기차가 확실한 대세 이동수단이 되기 위해서는 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야하기 때문에 배터리 용량을 높이기에 용이한 전고체 배터리가 향후 리튬이온전지를 앞설 것으로 예상한다. 또, 최근 일부 전기차 모델들의 잇따른 화재 사고로 배터리의 안전성에 대한 중요성이 부각되면서 전고체 배터리로의 전환이 가속화될 가능성이 기대되고 있다. 현재 전고체배터리가 상용화 되어있지는 않지만, 리튬이온전지를 충분히 대체할 수 있는 자원으로 평가 되고 있기 때문에 세계에서도 본격적인 개발에 착수한 상태이며 따라서 배터리 시장의 전환가능성은 충분해 보인다. 모든 신기술이 그러하듯 아직 연구해나가야할 문제점들이 많고, 확실한 검증을 통해서 개발이 이루어져야만 하기에 섣부른 세대교체 보다는 지속적인 개발을 통해 안정적인 배터리 시장의 전환을 이끌어나갈수 있기를 기원한다.

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참고문헌

<서론>

1. 전기차, 기술개발의 한계에 임박하다!

1) 유경표, “ “전기차 패권 잡겠다”...삼성SDI,’전고체 배터리’ 상용화 박차”, 시장경제, 20.11.22 http://www.meconomynews.com/news/articleView.html?idxno=47643

2) 조승한, “전기차 시장 구원투수 ‘전고체 배터리’... 상용화는 언제?”,  동아닷컴, 20.06.22  https://www.donga.com/news/article/all/20200621/101619944/1

<본론>

2. 전고체 배터리란? 

1) 박동수, 안철우, “전고체 리튬 이차전지의 연구개발 현황”, 재료연구소 기능재료연구본부, 71p, 2011년, https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201170764945577

2) 이영진, “전고체 리튬이차전지 개발 동향 및 전망”, KDB미래전략연구소, 2020.12.18, https://signalm.sedaily.com/ReportView/3202

3) “전고체 배터리란 무엇인가?”, 삼성SDI,                        https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56461.html?listType=gallery

4) 조승한, “전기차 시장 구원투수 ‘전고체 배터리’... 상용화는 언제?”, 동아사이언스,2020.06.22.,  https://www.donga.com/news/It/article/all/20200621/101619944/1https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56461.html?listType=gallery

3. 고체전해질 종류에 따른 장단점

1) 김지산, “차세대배터리”, 키움증권 리서치센터, p.25, 2019.04.22                              https://invest.kiwoom.com/inv/15127

2) "덴드라이트”, 한국과학기자협회, https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=11993724&memberNo=36405506&vType=VERTICAL

3) 조승한, “업계가 주목하는 차세대 배터리 '전고체 배터리' 어디까지 왔을까”, 동아사이언스, 2020.06.22, http://dongascience.donga.com/news.php?idx=37549

4. 전고체 배터리 왜 개발해야할까?

1) 삼성SDI 칼럼, “전고체 배터리란 무엇일까?”, 삼성 SDI  https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56461.html?listType=gallery

2) 오토버프, brunch, “전기차 차세대 배터리, 전고체 배터리의 장점은?”, 2020.05.28,   https://brunch.co.kr/@autobuff/11

3) 조승한, “전기차 시장 구원투수 ‘전고체 배터리’...상용화는 언제?”, 동아사이언스, 2020.06.22, https://www.donga.com/news/article/all/20200621/101619944/

4) Spainorange, 블로그, “[키움증권] 차세대 배터리 - (3) Post LiB (전고체전기, 리튬황전지, 리튬공기전지)”, 2019.08.06,                http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hoonyang&logNo=221607951305&categoryNo=0&parentCategoryNo=0&viewDate=¤tPage=1&postListTopCurrentPage=1&from=postView 

5. 전고체 배터리, 도대체 뭐가 문제길래?

1) 전광진, “디지스트, 차세대 전고체배터리 성능향상 기술 개발”, 한국일보, 2020.11.02, https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2020110209170000568

<결론>

6. 전고체 배터리, 어디까지 왔을까?

1) 전고체 리튬이차전지 개발 동향 및 전망/ KDB 경제연구소,  https://signalm.sedaily.com/ReportView/3202

2) 주대영, “국내 이차전지산업 현황과 발전 과제”, 산업연구원, 2018,                      http://www.kiet.re.kr/part/sDownload.jsp?s_idx=45763