전기차는 친환경적이고 기존 내연기관 차보다 가속도면에서 우수하지만 화재나 폭발의 안정성에 대한 문제가 존재합니다. 이는 핵심부품인 리튬이온배터리 때문입니다. 그에 따라 차세대 배터리로 화재위험이 없는 전고체배터리가 많은 관심을 받고 있습니다.
1. 전고체배터리의 원리
전고체배터리는 영어로 'All solid state battery'라 불리고 있습니다. 즉 구성하는 소재 및 부품이 모두 고체인 배터리입니다. 기존의 리튬이온배터리 같은 경우는 양극, 음극, 분리막, 전해액이 핵심소재로 사용되어 왔습니다. 하지만 전고체배터리는 양극, 음극은 유지하되 분리막이 제거되고, 액체상을 띄는 전해액이 고체상으로 대체된 것을 의미합니다. 이때 고체전해질은 고체이면서 리튬이온을 전달할 수 있는 특성을 갖고 있습니다.
또한 리튬이온배터리와 달리 일부 소재 또한 달라집니다. 리튬이온배터리는 흑연(Graphite)를 음극재로 사용하는 대신 고체배터리는 리튬금속(Li-metal)을 사용하기 때문에 더 높은 에너지 용량을 갖습니다. 더 이로운 점은 분리막을 사용하지 않아도 되기 때문에 구성 소재가 더 간소화되는 구조를 갖고 있습니다.
2. 전고체배터리의 장점
-높은 안정성
기존의 리튬이온배터리 전해액은 인화성물질이기 때문에 화재 위험이 높은 단점이 있었습니다. 하지만 전해액을 고체로 사용하면 인화성 물질이 아니기 때문에 불이나지 않습니다. 따라서 기존의 전기차에 나타내는 문제를 해결할 수 있습니다. 또한 고체이기 때문에 넓은 온도 영역대에서도 (저온~고온) 사용할 수 있는 장점이 있습니다.
고속충전의 가능성
상용 리튬이온배터리는 충전속도 (C-Rate)를 증가시키면 반응에 의해 반응열을 방출하게 되고, 이에 따라 리튬이온배터리의 SEI가 분해되고 열폭주가 일어나는 문제가 있습니다. 이 때문에 현재 충전 시 짧게는 20분 길게는 1시간 동안 충전하는 번거로움이 있습니다. 하지만 고체전해질을 사용할 경우, 열적인 안정성이 높기 때문에 고속충전이 가능한 장점이 있습니다.
위 그래프는 고속충전 (5C)에 대한 실험 결과입니다. (충전시간 12분) 80도 이상의 고온에서 실험하였음에도 불구하고 용량이 줄어들지 않고 안정적으로 구동되는 결과를 보여주고 있습니다.
높은 에너지밀도 구현 가능성
전고체전지는 또한 고체로 이루어져 있기 때문에 배터리 팩 내부의 공간을 극대화할 수 있습니다. 또한 기존 음극인 흑연보다 높은 용량을 갖는 Li-metal을 음극으로 사용가능합니다. 이에 따라 상용리튬이온배터리보다 더 많은 에너지밀도구현이 가능한 장점이 있습니다.
3. 전고체배터리의 단점
- 낮은 이온전도도
고체전해질이기 때문에 액체전해질 보다 낮은 이온전도도 값을 갖는다. 위 그래프는 액체전해질과 2018년까지 연구된 고체전해질들에 대한 온도에 따른 리튬이온전도도 값들의 비교 결과 그래프입니다.
그래프의 빨간색 반원이 액체전해질의 전도도 수준을 나타내고 있습니다. 그에 비해 연구된 고체전해질들은 낮은 전도도 값을 나타내고 있습니다. 이는 물성이 고체이기 때문에 물질 고유적으로 액체보다 낮은 값을 가질 수밖에 없습니다. 하지만 최근 황화물계 고체전해질에서 액체전해질 수준의 전도도를 갖는 연구들이 활발하게 진행되어오고 있습니다.
- 양산성
전고체배터리의 가장 큰 난관은 양산하기에 매우 어려운 공정들이 존재합니다. 고체전해질 중 가장 높은 전도도를 갖는 황화물계 전해질은 대기나 습기에 노출되면 안 되기 때문에 비활성기체를 사용하는 조건에서 생산해야 하는 문제점이 있습니다. 이런 문제는 기존의 대량화 시 높은 공정비용을 필요로 하게 될 것입니다. 또한 공정 조건에서 수분만 Control 하면 되는 리튬이온배터리와의 단가 경쟁력에서 부족한 점이 있습니다.
- 높은 계면저항
리튬이온을 제공 또는 받는 계면에서의 저항이 매우 크다. 양극, 음극과 전해질이 고체이다 보니 고체-고체 간 계면이 형성되는데 아무리 압력을 높게 가한다 해도 액체만큼 미시적인 공간까지 접촉되기 어렵다. 이러한 문제 때문에 상대적으로 높은 저항을 갖으며 이것이 에너지밀도를 낮추게 된다.
위 그림은 고체전해질의 문제점을 나타내고 있다. 고체전해질을 사용할 경우, 고체전해질의 세부 공간까지 전극과 접촉이 불가능하므로 그로 인해 리튬이온이 이동하는 수송 경로 (Path)가 줄어듦에 따라 저항이 발생하게 된다.
이번 포스팅에서는 전고체전지의 개념, 그리고 장점과 단점들에 대해 알아보았다. 전고체배터리는 꿈의 전지로 불리는 만큼 장점은 명확하나, 연구난이도가 매우 높고 양산난이도도 매우 어려운 배터리이다. 기술적인 한계를 극복하여 전고체전지가 탑재된 전기차를 탈 수 있는 날이 빨리 오기를 고대해봅니다.
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