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전고체 배터리란?
전고체(全固體, All Solid State) 배터리는 배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 이차전지로 에너지 밀도가 높아 대용량 구현이 용이해 활용도가 높을 것으로 전망되는 배터리다. 전해질이 불연성 고체이기 때문에 외부의 충격이나 온도 변화에 대한 안정성이 높아 폭발의 위험성도 낮다. 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리이자 ‘꿈의 전지’라 불리는 이유다.
리튬이온 배터리와 전고체 배터리
우리가 일상에서 사용하고 있는 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성된다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질 액체가 아닌 고체 상태인 배터리다.
구조를 살펴보면 현재 사용하고 있는 대부분의 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고, 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 함께 있지만 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신하고 있다.
리튬이온 배터리에 있어서 사용자들이 가장 우려하는 부분은 안전성이다. 현재의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시의 위험성이 존재한다. 액체는 유동성이 있어 양극과 음극을 안에 집어넣지 않으면 고정되지 않는다. 두 전극은 만나면 급격하게 반응하게 되는데, 특히 반응성이 큰 리튬이온전지의 경우, 전극끼리 접촉하면 화재와 폭발이 일어나기도 한다.
안전성을 높인 배터리
이에 반해 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있다. 내부가 고체면 내부 물질이 밖으로 흘러나올 일도 없고, 폭발이나 화재 위험도 줄어든다.
또한 고체는 액체에 비해 밀도도 높고 분자 이동성도 적기 때문에 같은 크기라 해도 고체 전해질을 적용한 배터리 에너지 용량이 더 높다. 여기에 양극과 음극을 고체 안에 꽂으면 그대로 고정되니, 분리막도 필요 없어 차세대 배터리로 주목받고 있다.
전고체 전해질은 크게 고분자 전해질, 황화물·산화물 같은 무기계 전해질, 고분자가 복합적으로 구성된 복합계 전해질로 구분할 수 있다. 화학공학소재연구정보센터(CHERIC)는 ‘전고체 전해질 기술 및 시장동향’을 통해 주요 고체전해질 소재 중 이온전도도, 공정 특성, 안정성 측면에서 가장 우위에 있는 재료는 황화물계라고 밝혔다. 다만 습도에 민감해 부산물이 발생할 가능성이 있어, 추가 연구가 필요한 상황이다.
전고체 배터리 동향
현재 국내외 기업들이 전고체 배터리의 상용화를 위한 기술 개발에 만전을 가하고 있다. 특히 국내 주요 배터리 업체들은 2020년대 후반에는 전고체 배터리를 상용화할 것이라는 목표를 밝히고 있다.
삼성SDI는 초격차 기술 확보 전략으로 시장 공략에 나선 상태다. 오는 2025년 시제품 생산, 2027년 상용화를 목표로 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다. LG에너지솔루션은 2026년까지 고분자 전고체 배터리를, 2030년까지 황화물계 전고체 배터리를 개발하겠다고 밝혔다. 현대자동차는 작년 4월, 전고체 배터리를 탑재한 전기차 양산 계획을 발표했다. 이어 2025년 시범 양산, 2027년 양산 준비, 2030년에는 본격적인 양산을 시작할 것으로 전했다.
작년 9월 일본 도요타자동차는 전고체 배터리를 적용한 전기차를 공개했고, 2030년까지 16조 원을 연구개발에 투입할 예정이라고 발표했다. 또한 중국 전기차 제조사 니오(NIO)는 가장 이른 2022년 4분기 전고체 배터리가 탑재된 신차를 출시할 계획이라고 알려졌다.
