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전고체 전지, 전해질 '액체→고체'...안전성↑
분리막 등 다른 부품 줄여...무게↓ · 용량↑
기업들의 신기술 개발은 지속가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업들은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 점쳐볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)'한 기술 이야기를 술술~ 풀어 독자들에게 전달합니다.
[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = '꿈의 전지'로 불리는 배터리가 있습니다. 전고체 배터리입니다. 전고체 배터리가 '꿈의 전지'인 이유는 전기차 업계의 최대 화두인 화재·폭발 위험을 낮추고, 배터리의 부피와 무게는 줄이면서 충전 용량을 늘려 전기차 주행 시간을 획기적으로 늘릴 수 있기 때문입니다.
스마트폰이나 전동 공구, 전기차에 사용하는 배터리 대부분은 리튬이온배터리로 양극(+), 음극(-), 분리막, 전해질이 4대 핵심 요소입니다. 전고체 배터리는 양극(+)과 음극(-)을 오가며 전기를 발생하는 액체 상태의 '전해질'을 고체로 바꾼 전지입니다. 리튬이온배터리엔 액체 상태의 전해질을 갖고 있습니다. 액체 상태의 전해질을 가진 배터리는 온도 변화에 따라 몸체가 부풀거나, 외부 충격에 손상 시 누수로 화재나 폭발 위험이 존재합니다.
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| 리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 구조 [사진=삼성SDI] |
전고체 배터리는 고체 전해질이 분리막 역할을 대신하기에 분리막이 따로 없습니다. 분리막은 리튬이온배터리엔 양극과 음극 사이 접촉을 방지하는 일종의 칸막이 역할을 하며 양극과 음극으로 이뤄진 양극재와 음극재를 분리해 쇼트(합선)를 막아줍니다.
분리막이 손상되면 양극재와 음극재가 접촉해 열이 발생해 화재와 폭발 위험이 커집니다. 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 훼손되더라도 그 형태를 유지하기에 안전성이 높습니다.
전고체 배터리는 에너지 밀도도 높습니다. 폭발이나 화재의 위험성이 낮아져 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 소재를 추가할 수 있는 등 배터리 내부 공간 활용도가 높아집니다. 이는 더 많은 배터리 모듈과 팩으로 전기차 배터리를 구성할 수 있어 배터리 용량 증감을 가능하게 합니다.
다양한 장점을 가진 전고체 배터리는 전지의 경쟁력을 좌우할 뿐 아니라, 전기차 시장에서의 우위를 결정하기에 배터리∙소재 기업은 물론 완성차 기업들도 개발에 뛰어들고 있습니다. 아직 리튬이온배터리를 대체할 만한 수준의 개발이 완료 단계는 아닙니다. 현재로서는 리튬이온배터리보다 수명이 낮고 가격은 비싸 상용화 수준에 이르지 못했습니다.
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| LG에너지솔루션 연구원들이 배터리를 점검하고 있다. [사진=LG에너지솔루션] |
현재 국내에서 전고체 배터리 상용화에 가장 가까이 다가섰다는 평가를 받은 곳은 삼성SDI로 황화물계 전고체 배터리를 개발하고 있습니다. 삼성SDI는 올해 3월 LG에너지솔루션, SK온 등 배터리 3사 중 가장 먼저 전고체 전지 시험생산 라인인 '파일럿 라인(S라인)' 을 착공하면서 전고체 배터리 양산 채비에 나섰습니다. 2023년에 소형 배터리, 2025년에는 전기차를 포함한 중·대형 배터리의 전고체 관련 기술 검증을 마치고, 2027년부터 본격적 양산에 돌입할 계획입니다.
LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 배터리를 시작으로 2030년에는 황화물계 전고체 배터리를 차례로 시장에 내놓겠다는 로드맵을 갖고 있습니다. 고분자계 전고체 배터리의 경우 하이브리드 형태의 고체 전해질을 개발해 최대 단점을 꼽히는 낮은 이온전도도를 개선할 계획입니다. 이온전도도는 배터리 내부에서 이온이 잘 이동할 수 있는 정도를 뜻합니다.
황화물계 전고체 전지는 공기 중의 수분과 반응해 유독한 황화수소 가스가 생성되는 단점이 있어 이를 막기 위해 내수분성을 높이는 기술 개발을 진행 중입니다. 이 전지는 기존의 습식 공정으로는 제조하기 어려워 높은 가압의 건식 제조 공정도 함께 연구하고 있습니다.
SK온은 2030년 양산이 목표입니다. 현재 미국의 전고체 배터리 스타트업인 솔리드파워와 기존 리튬이온배터리 생산 설비에서 제조할 수 있는 전고체 전지를 개발하고 있습니다. 솔리드파워는 연말까지 완성차 업체인 BMW와 포드에 전고체 배터리 시제품을 공급할 계획입니다.
SK온의 모회사인 SK이노베이션은 고무 형태 고분자 전해질을 개발해 네이처(Nature)에 논문이 소개된 이승우 조지아 공대(Georgia Tech) 교수진과 협력해 전고체 배터리를 개발했습니다. 이 교수가 개발한 고체 전해질의 이온전도도는 기존보다 100배 높인 것으로 알려져 있습니다.
aaa22@newspim.com
