전고체 배터리

최근 삼성 sdi를 필두로 전기차에 도입할 배터리로 전고체 배터리가 각광을 받고 있으며 lg, sk에서도 2030년 이후로 전고체 배터리 상용화를 위해 박차를 가하고 있는 추세입니다.

 

그러면 이 전고체 전지란 무엇인가?

 

고체 전지는 기존 전지의 액체나 젤 전해질을 고체 전해질로 대체하는 첨단 에너지 저장 기술입니다. 세라믹이나 고분자 재료로 만든 고체 전해질은 향상된 안전성, 높은 에너지 밀도, 긴 수명 등의 여러 가지 장점을 제공합니다.

고체 전지의 가장 큰 장점 중 하나는 향상된 안전성입니다. 전통적인 전지는 인화성 액체 전해질을 사용하는 반면, 고체 전지는 누출과 연소의 위험을 제거합니다. 이로써 전기차나 휴대용 전자기기와 같이 안전이 중요한 응용 분야에 이상적인 선택이 됩니다.

현 리튬이온전지 vs 전고체 전지 비교 모식도

기존의 액체 배터리에 비해 전고체 전지는 음극에 리튬 메탈을 사용하고 유기 액체전해질 대신 고체전해질과 건식 제조법으로 제조된 양극이 들어가 단위 부피당 에너지의 밀도가 현저히 높아지며 액체전해질 보다 안정성이 증가된 차세대 배터리로 연구개발이 이루어지고 있습니다.

삼성의 전고체 전지 구조 (Nat. Energy 발표)

하지만 이러한 전고체 배터리도 리튬 메탈을 사용하여 폭발시에 리튬메탈이 대기 중에 노출되면 수분과의 반응으로 폭발할 위험이 존재하여 안정성이 완전히 해결된다는 느낌은 없었는데 최근 삼성 SDI와 종기원에서 양산 준비 중인 전고체 배터리는 위 그림에 나와있듯이 음극이 없는 (anode-less) 형태의 전고체 전지를 개발한 연구결과를 Nature Energy에 보고하고 관련 기술의 양산화를 진행 중입니다.

 

SDI의 anode-less 전고체 전지

 

이 기술을 요약하자면 기존 리튬 메탈대비 Ag-C (은-탄소) 복합물질을 Sus 재질의 동박 위에 아주 얇게 도포한 후 바로 그 위에 고체전해질을 쌓고 그위에 고체전해질+양극 복합층을 쌓아서 전고체 전지를 제조합니다.

이는 기존 NCM 811 (high Ni) 양극을 리튬 소스로 활용하고 양극의 리튬이 Ag-C와 Sus 동박 사이에 lithium plating이 형성되어 처음 재조시에 리튬메탈을 안넣어도 리튬메탈을 넣은것과 같은 용량이 나오며 기존의 전고체 전지대비 안정성과 에너지밀도를 크게 향상시킨 획기적인 기술입니다. 

또한 이 연구결과는 pilot 타입의 파우치셀에서도 장시간 수명안정성을 확인하여 전고체 전지 상용화를 크게 앞당긴 혁신적인 기술입니다.

 

물론 이 무음극 전고체전지도 아직까지 고온안정성, 저온안정성, 고속충전특성등 해결해야할 부분이 여전히 남아있지만 삼성SDI에서 타겟으로 잡은 2026년까지 상용화에 나올 수 있을지 관심있게 지켜볼 필요가 있겠습니다.

 

현재 삼성에서도 전고체전지에 과감한 투자를 진행하지만 전기차의 특성상 바로 모든차가 적용이 되기 보다는 SDI에서 초기에 계약을 맺고 있는 몇몇 완성차 업체에서 한정적인 모델부터 시작이 될 것으로 판단이되며 배터리에서 가장 중요한 수요를 맞출수 있는 공급량이 가능한 대량 생산 공장 설비가 이루어 질지는 아직까지는 미지수 입니다.