꿈의 배터리라 불리는 전고체 배터리는 에너지 저장의 첨단 기술로 누가 먼저 상용화에 성공하느냐에 따라 기업의 명운이 달릴 정도로 중요한 핵심 기술입니다. 전기차, 스마트 기기, 에너지 저장 시스템(ESS) 등 다양한 배터리 분야에서 응용 가능하지만 풀어야할 난제가 너무 많은게 현실입니다.
전고체 배터리란?
전고체 배터리의 원리는 기존 리튬이온 배터리와 비슷하지만, 핵심 차이는 전해질이 액체가 아닌 고체라는 점입니다. 이를 간단히 설명하면 다음과 같습니다
1. 구성 요소
전고체 배터리는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다
- 양극(+): 에너지를 저장하는 곳.
- 음극(-): 에너지를 방출하는 곳.
- 고체 전해질: 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 돕는 고체 물질.
2. 작동 원리
- 배터리가 충전될 때, 음극에서 양극으로 리튬 이온이 고체 전해질을 통해 이동합니다.
- 방전 시에는 반대로 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하며 전기를 발생시킵니다.
- 이 과정에서 고체 전해질은 리튬 이온이 통과할 수는 있지만, 전자는 통과하지 못하게 막아줍니다.
3. 장점
- 안전성: 고체 전해질은 가연성이 없어서 과열이나 화재 위험이 줄어듭니다.
- 에너지 밀도: 더 많은 리튬 금속을 사용할 수 있어 기존 배터리보다 에너지 저장 능력이 뛰어납니다.
- 긴 수명: 고체 전해질은 화학 반응으로 인한 손상이 적어 배터리 수명이 길어집니다.
국내기업 개발 현황
삼성SDI의 전고체 배터리 개발 현황
삼성SDI는 2027년 전고체 배터리 상용화를 목표로, 세계 최고 수준의 에너지 밀도를 자랑하는 900Wh/L의 전고체 배터리 양산 계획을 발표했습니다. 여러 고체 전해질 중 황화물계 고체 전해질을 채택하고 있으며 무음극 기술을 적용해 음극의 부피를 줄임으로써 양극재를 확장하여 고효율을 추구하고 있습니다. 이러한 기술 개발은 기존 리튬이온 배터리의 한계로 여겨지는 800Wh/L를 넘어서는 성과를 의미합니다
삼성은 전고체 배터리의 상용화로, 더 긴 주행거리(최대 1000km)를 제공할 수 있는 전기차용 배터리를 목표로 기술개발에 총력을 기울이고 있으며 안전성과 에너지 밀도를 극대화하기 위해서도 많은 공을 들이고 있습니다. 특히 고체 전해질 내부에서 발생하는 덴드라이트 문제와 가격경쟁력을 확보하기 위한 대규모 투자를 단행하고 있습니다.
LG에너지솔루션의 전고체 배터리 전략
LG에너지솔루션의 경우 고이온전도성 고체 전해질 기술을 채택하여 연구를 진행 중 입니다. 고이온전도성은 이온이 고체 전해질을 통과할 때 발생하는 저항을 최소화하여, 빠르고 효율적인 이온 이동을 보장합니다.
고체 전해질 종류
LG는 황화물계, 산화물계, 고분자계 전해질 중 특히 높은 이온전도성을 가진 황화물계 전해질 연구에 집중하고 있습니다. 황화물계 전해질은 일반적으로 다른 고체 전해질 대비 이온전도성이 높고, 전극과의 접촉 저항이 낮아 배터리 효율 향상에 유리합니다.
안전성 및 효율성
고이온전도성 전해질은 리튬 금속 음극과의 안정적인 결합을 통해 덴드라이트 형성을 방지하며, 에너지 밀도를 높이는 동시에 충전 속도를 개선에 탁월하며 이는 고성능 전기차 배터리 개발에 있어 필수적인 기술적 요소입니다.
차세대 배터리
LG는 고이온전도성 고체 전해질 기술을 전고체 배터리 설계에 통합하여 높은 안정성, 장수명, 고출력 특성을 갖춘 배터리를 상용화할 계획입니다. 이를 통해 기존 배터리 대비 주행거리가 증가하고, 화재 위험이 감소하며, 충전 시간이 단축될 것으로 기대됩니다.
기술적 난제 및 해결 방향
양사의 전고체 배터리 상용화로 가는 길에 최대의 난제는 다음과 같습니다.
- 제조 비용: 고체 전해질을 대량 생산하는 공정의 복잡성과 원료 비용이 상용화를 어렵게 만듭니다.
- 전극-전해질 계면 안정성: 고체와 고체 간 계면에서 발생하는 저항을 줄이는 기술이 필요합니다.
이를 극복하기 위해 양사는 신규 소재 개발, 나노 구조 설계, 그리고 고급 코팅 기술을 접목해 문제를 해결하고 있습니다.
결론
꿈의 배터리라 불리는 전고체 배터리 개발을 위하여 삼성SDI와 LG에너지솔루션은 각각 2027년과 2030년 상용화를 목표로 총력을 기울이고 있습니다. 그 이유는 기술의 상용화를 통한 초기 글로벌 시장 점유는 전기차 시장에서의 게임체인저 역할을 할 것이 자명하기 때문입니다.
그러나 전고체 배터리의 상용화에는 높은 생산비용과 기술적 난제가 남아 있어 이를 해결하기 위한 추가적인 기술 개발과 대규모 투자가 필요하며 이를 극복한다면 한국 기업들이 글로벌 전고체 배터리 시장의 선도자로 입지를 탄탄히 다지는 계기가 될 것입니다.