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전통적인 배터리의 전해질은 액체의 형태이지만
전고체 배터리의 전해질은 고체의 형태입니다.
미래의 차세대 배터리는 전고체 배터리
현재의 배터리는 전액체… 는 죄송합니다.
가슴이 웅장해지는 전고체 배터리도
삼성SDI가 함께 합니다.
#전고체 #전해질 #배터리 #소재 #차세대배터리
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전고체 배터리란 무엇일까? – 삼성SDI
전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높습니다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 …
Source: www.samsungsdi.co.kr
Date Published: 11/22/2021
View: 9630
전고체 전지 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
전고체 전지(Sol-state battery)는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리다.
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 4/9/2022
View: 4347
[인사이드 배터리] 전고체 배터리가 3원계 대안이 될 수 있을까
최근 ‘전고체 배터리’라는 단어가 유난히 많이 눈에 띕니다. 한국과 중국, 일본 간 전고체 배터리 경쟁이 치열한 가운데, 이르면 2025년에 상용화된 …
Source: byline.network
Date Published: 1/14/2021
View: 7656
삼성SDI, 주행거리 800km ‘전고체 배터리’ 파일럿 착공…2027년 …
삼성SDI가 배터리 게임체인저로 불리는 전고체 배터리의 파일럿 공장 건설에 착수했다. 전고체 배터리는 화재 안전성이 크게 향상되고 에너지밀도도 …
Source: www.electimes.com
Date Published: 11/21/2022
View: 2440
리튬보다 밀도 40% 높은 전고체배터리···LG엔솔 “난제 풀었다”
전고체 배터리는 최대 800㎞까지 주행할 수 있어 꿈의 배터리로 불리지만 에너지 밀도가 높아 상온에서 빠른 속도로 충전할 수 없다는 점이 난제로 꼽혀 …
Source: www.joongang.co.kr
Date Published: 11/9/2021
View: 1614
[8회] 차세대 리튬이온전지(전고체) 전해질 기술 및 시장동향
차세대 리튬이온전지의 구현에 핵심은 전고체(全固體) 전해질 … 타는 2008년 차세대 배터리 연구소를 설립, 전고체전지에 대한 연. 구를 오랫동안 지속.
Source: www.cheric.org
Date Published: 3/27/2022
View: 1567
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주제에 대한 기사 평가 전 고체 배터리
- Author: 삼성SDI
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- Date Published: 2020. 6. 3.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=aO_GoxIwUF8
전고체 배터리란 무엇일까?
리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성됩니다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있습니다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리입니다.
[ 리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 구조 ] 구조적으로 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 있습니다.
리튬이온 배터리를 사용함에 있어 사용자들이 가장 우려하는 부분은 바로 안전성입니다. 현재의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시의 위험성이 존재합니다. 그래서 안전성을 높이기 위한 부품이나 장치들이 필요합니다.
이에 반해 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있습니다.
전고체 배터리를 개발해야 하는 이유
전고체 배터리가 필요한 이유는 무엇일까요? 그것은 바로 전기차용 배터리 용량을 높여야 하기 때문입니다.
많은 시장조사기관에서는 앞으로 전기차가 내연기관차를 대체해 자동차업계의 주류로 성장할 것이라고 예측하고 있습니다. 그리고 전기차가 확실한 대세가 되기 위해서는 현재의 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하고, 이를 위해 핵심부품인 전기차용 배터리 용량을 증가시키는 것이 무엇보다 중요합니다.
배터리의 용량을 늘리는 방법은 두가지가 있는데 첫번째는 배터리의 개수를 늘리는 것입니다. 하지만 이 경우는 배터리 가격 상승과 공간 효율성을 저해시키기 때문에 실현하기 어렵습니다.
전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높습니다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채웠기 때문입니다.
전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤입니다.
[리튬이온배터리(좌)에 비해 동일 용량에도 크기를 줄인 전고체 배터리(우)] 전고체 배터리 개발 동향
삼성SDI는 전고체 배터리 개발에 집중하고 있습니다. 자체 개발 프로젝트 외에도 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력해 전고체 배터리 기술을 공동으로 개발하고 있습니다.
삼성SDI는 지난 2013년부터 모터쇼나 배터리 관련 전시회에서 중장기 전고체 배터리 기술들을 선보이고 있으며, 현재는 요소기술 개발단계로 상용화를 위해 개발에 매진하고 있습니다. 그리고 2분기 컨퍼런스콜에서 “검증된 소재 기술과 고체 전해질 등 독자적으로 개발한 신규 소재를 접목하여 고에너지밀도, 고안전성 전지 개발 가능성을 확인했다”며 차세대 배터리에 대한 자신감을 드러낸 바 있습니다.
한편 지난 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 주행거리 800km, 1,000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개하기도 했습니다. 전고체 배터리의 수명과 안전성을 높이면서도 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 담고 있는 이 연구내용은 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재되기도 했습니다.
전기차가 더 멀리, 안전하게 주행하기 위해서는 전고체 배터리 개발은 꼭 필요합니다. 아직은 개발 초기 단계로 상용화까지는 많은 시간과 난관이 있을 수 있지만 삼성SDI는 ‘초격차’ 기술 개발을 위해 최선을 다하겠습니다.
위키백과, 우리 모두의 백과사전
전고체 전지(Solid-state battery)는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리다.[1]
역사 [ 편집 ]
전고체 배터리 개념은 1980년대 처음 제시됐으나 한동안 빛을 보지 못했다. 그러다 일본 도요타가 2010년 황화물 전해질을 사용한 배터리 시제품을 공개한 뒤로 연구가 눈에 띄게 늘었다. 현재는 소재 후보군으로 황화물과 산화물, 고분자 3종이 발굴됐다. 이 가운데 황화물 소재는 가장 앞서 나간다. 일본은 전고체 배터리 연구에서 가장 앞서나가는 국가로 손꼽힌다. 일본에선 주로 황화물 연구가 주를 이룬다.
1991년 일본 소니가 첫 개발해 상용화한 리튬 이온 전지를 대체할 차세대 2차전지로는 리튬에어 전지, 리튬메탈 전지, 리튬황 전지, 전고체 전지가 있다. 그 중에서 전고체 전지를 탑재한 전기차를 2022년 도요타가 출시할 계획이다. 한국은 2025년 전고체 전지를 상용화할 계획이다.
전세계 전기차용 전고체 전지 시장이 2030년 최대 100조원 규모로 급성장할 것으로 관측되고 있다.
도요타는 전고체 전지를 사용하면 출력과 전기저장량이 액체 전지보다 2배 이상 늘어날 것으로 보고 있다.
도요타, 다이슨, 포르셰 등 글로벌 2차전지 수요기업이 전고체 전지 사용화 계획을 연이어 발표하고 있다.
충전하는데 몇 시간씩 걸리는 리튬 이온 전지에 비해 전고체 전지는 불과 5분이면 80% 충전이 가능하다. 주행거리도 리튬이온전지의 2배 이상에 달한다. 기존의 가솔린, 경유 차량의 주유소 급유시간이 5분이다.
2012년~2014년 도요타가 출원한 차세대 전지 관련 특허의 68%는 전고체 전지 분야다. 200명의 개발인력을 전고체 전지 개발에 투입하고 있다.
리튬 이온 전지에 비해 가격이 1/3이다.
SNE리서치에 따르면 전고체 배터리를 탑재한 전기차 비율은 2024년 2%에서 2030년 10%로 증가할 전망이다. 글로벌 조사 업체 Allied market research는 2017년 633억원이었던 글로벌 전고체 배터리 시장이 2025년 1조6820억원으로 확대한다고 예측했다. 일본 시장조사업체 후지경제는 2035년 전고체 배터리 시장규모가 32조6000억원에 이를 것으로 내다 봤다.
일본 [ 편집 ]
1991년 일본 소니는 니켈 카드뮴 전지보다 에너지 밀도가 두 배 높고 충전이 간편한 2차 전지를 선보였다. 이 전지는 핸드폰, 노트북과 같은 전자 제품에서부터 자동차에까지 적용되며 전 세계적인 사랑을 받았다. 대표적인 2차 전지로 꼽히는 리튬이온 전지 얘기다. 2019년 기준으로, 리튬이온 전지가 등장한 지 28년이 흘렀다.
기존 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 255Wh/kg 수준이다. 반면 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/kg까지 에너지 밀도가 올라간다. 일본은 2015년까지 전지 양극재료와 음극재료 혁신을 통해 에너지밀도가 전보다 두 배나 높은 2세대 리튬이온 전지를 개발할 계획이다.
에너지 밀도가 더 높아지면 2차전지를 더 작게 만들 수 있다.
일본의 파나소닉은 도요타와 지난 4월 배터리 합작사를 세웠다. 파나소닉-도요타 연합은 꿈의 배터리라 불리는 ‘전고체 배터리’ 기술을 선도하는 업체다. 전 세계에서 전고체 배터리 관련 특허를 40%가량 보유하고 있다.
기술력이 가장 앞서 있다고 평가받는 일본 도요타는 대규모 민관 컨소시엄을 구성해 총 17조원을 투자, 오는 2022년에 생산할 계획이다.
중국 [ 편집 ]
2018년 11월 26일, 중국 칭다오에너지디벨로프먼트가 최근 10억위안(약 1600억원)을 투자해 장쑤성 쿤산시에 전고체 전지 양산 라인을 구축, 양산에 들어갔다.[2] 세계 최초의 전고체 전지 양산 공장이다.
이 분야를 선도하고 있는 일본은 2021년 양산 공장을 가동할 계획이다. 한국은 2025년 계획이다.
칭다오에너지는 최신 리튬이온 배터리 셀 에너지 밀도가 kg당 250~300Wh 수준인 것과 비교, 자사가 양산하는 전고체 전지는 kg당 400Wh 이상 에너지 밀도를 달성했다고 주장했다. 같은 차량 무게일 경우 더 많은 배터리 탑재가 가능하다는 의미이다.
그러나, 칭다오에너지의 양산이 상용화라기 보다는 연구 성과 수준이라는 견해가 많다. 한국의 배터리 기업들의 연 생산규모는 칭다오에너지의 180배에 달할정도로 소규모 파일럿 생산에 가깝다는 것이다.
대한민국 [ 편집 ]
2018년 3월 19일, 국책연구기관인 산업연구원(KIET)은 전고체전지의 양산 시점이 전기자동차 보급의 전환점이 될 것이라는 전망을 내놓았다. 한국의 자동차 업계에서는 이 시점을 2025년으로 본다.
2019년 6월 17일, 한국생산기술연구원은 김호성 박사(제주지역본부장) 연구팀이 폭발 및 화재 위험을 없애면서 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 ‘바이폴라 구조의 전고체전지’ 제조 기술을 개발했다고 밝혔다. 에너지밀도는 약 445Wh/L 수준이다.
상용화 시점이 일본보다 7~8년 늦은 2030년으로 예상되고 있다. 오는 2030년이 되면 글로벌 신차 중 절반이 전기차일 것이라는 관측이 나온다.
미국 [ 편집 ]
2017년 11월 15일, 전기차 벤처기업 피스커의 CEO 헨릭 피스커는 리튬 이온 전지가 아닌 전고체 전지 기술을 개발해 1분 이내 충전으로 800 km를 달릴 수 있는 전기차 개발에 성공했다고 밝혔다. 헨릭 피스커는 테슬라 창업에 영감을 준 것으로 유명하다. 2023년 전고체 전지 전기차 모델을 판매할 계획이다..
2019년 1월, 세계 최고 전기차 기업 테슬라가 배터리 명가 맥스웰 테크놀로지를 2억1800만달러(약 2439억원)에 인수했다. 수 년 동안 인수설 소문이 있었다. 그동안 테슬라에 독점적으로 전기차 배터리를 공급했던 일본 파나소닉 배터리에는 비상이 걸렸다. 맥스웰 테크놀로지는 1965년 세워진 배터리 회사로 본사를 미국 샌디에이고에 두고 있다. 테슬라 전기차 공장과 함께 샌프란시스코 베이에어리어에 위치한다. 맥스웰 테크놀로지 배터리 고객으로는 제너럴 모터스(GM)와 람보르기니가 있다. 최근 맥스웰 테크놀로지는 에너지 밀도 300 Wh의 전고체 전지를 개발했다.
잠수함 [ 편집 ]
기존의 디젤잠수함은 하루에 2-3회 수면으로 부상하여 스노클 항해를 3-4시간씩 해서 납축전지를 충전해야만 했다. 최근 납축전지 대신 리튬 이온 전지를 탑재하여, 스노클 항해를 거의 하지 않는 리튬잠수함이 등장했다. 이를 다시 전고체 전지로 교체하면 잠수함의 성능이 매우 개선될 것으로 예상된다. 수소차의 수소연료를 이용한 발전을 하면, 매우 짧은 5분 동안의 스노클 항해시에도 소음이 발생하는 디젤엔진이 아닌 수소엔진을 사용하여, 잠수함 소음을 사실상 완전히 없앨 수 있다.
납축전지, 충전시간 8시간
리튬 이온 전지, 납축전지의 2배 용량, 충전시간 30분, 1991년 소니 개발, 소류급 잠수함
전고체 전지, 리튬 이온 전지의 2배 용량, 충전시간 5분, 2021년 도요타 개발
리튬황 전지, 전고체 전지의 2배 용량, 2030년 상용화
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[인사이드 배터리] 전고체 배터리가 3원계 대안이 될 수 있을까
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최근 ‘전고체 배터리’라는 단어가 유난히 많이 눈에 띕니다. 한국과 중국, 일본 간 전고체 배터리 경쟁이 치열한 가운데, 이르면 2025년에 상용화된 전고체 배터리를 만나볼 수 있을 것이라는 전망도 속속 나오기 때문입니다.
국내 주요 배터리 업체는 2020년대 후반에는 전고체 배터리를 상용화할 것이라는 목표를 밝히기도 했죠. LG에너지솔루션은 2026년까지 고분자 전고체 배터리를, 2030년까지 황화물계 전고체 배터리를 개발하겠다고 했습니다. 삼성SDI는 2027년에 전고체 배터리를 양산하겠다고 했고요, SK온도 2020년대 후반에는 양산하겠다고 밝힌 상황입니다.
이처럼 전고체 배터리는 아직 초기 단계이지만, 꿈의 배터리라 불릴 만큼 관심을 한 몸에 받고 있습니다. 이번 인사이드 배터리에는 이 인기 많은 전고체 배터리에 대해 다뤄보려 합니다. 전고체 배터리 개념부터 현황, 전망까지 살펴보도록 하겠습니다.
전고체 배터리?
배터리가 전력을 공급하려면 내부에서 전류가 흘러야 합니다. 전류는 전자가 특정 방향으로 이동하는 것을 말합니다. 다시 말해, 배터리가 전력을 공급하기 위해서는 배터리 내에서 전자가 특정 방향으로 이동할 수 있어야 합니다. 이 전자가 이동할 수 있는 통로를 ‘전해질’이라고 합니다.
현재 사용되고 있는 전해질은 전자가 원활하게 이동할 수 있는 액체로 돼 있습니다. 이를 전해액이라고 합니다. 액체 전해질을 사용하면 이동성이 있기 때문에 전자가 원활하게 이동할 수 있습니다. 하지만 액체 특성상 온도 변화나 외부 충격 등 환경 변화에 취약하고, 이는 곧 전해액이 밖으로 새 나오거나 심한 경우에는 화재, 폭발 등 사고로 이어지는 원인이 되기도 하죠.
또한, 액체 전해질을 사용하면 분리막이 필수로 들어가야 합니다. 액체는 유동성이 있기 때문에 양극과 음극을 그 안에 집어 넣으면 고정되지 않습니다. 그런데 이 두 전극은 만나면 급격하게 반응을 하게 되는데요, 특히 반응성이 큰 리튬이온전지의 경우에는 전극끼리 접촉할 시 화재와 폭발이 일어나기도 합니다. 이를 방지하기 위해 이차전지에는 두 전극을 분리해주는 분리막이 필수로 들어가야 하고, 공간 비효율이 생깁니다.
이 문제를 해결하기 위해 배터리 업계는 전해질을 고체로 만드는 기술을 개발하기 시작했습니다. 내부가 고체로 돼 있다면 내부 물질이 밖으로 흘러나올 일도 없고, 폭발이나 화재 위험도 줄어들죠. 게다가 고체는 액체에 비해 밀도도 높고 분자 이동성도 적습니다. 따라서 같은 크기라 해도 고체 전해질을 적용한 배터리 에너지 용량이 더 높습니다. 여기에 양극과 음극을 고체 안에 꽂으면 그대로 고정이 되니, 분리막도 필요가 없습니다. 앞서 언급한 문제를 대부분 해결할 수 있는 겁니다. 이 배터리의 이동 통로, 전해질을 고체로 만든 배터리를 바로 ‘전고체 배터리’라고 합니다.
전고체 전해질은 크게 고분자 전해질, 황화물·산화물과 같은 무기계 전해질, 나노입자 필러나 고분자가 복합적으로 구성된 복합계 전해질로 구분할 수 있습니다. 화학공학소재연구정보센터(CHERIC)의 ‘전고체 전해질 기술 및 시장동향’ 보고서에 따르면, 주요 고체전해질 소재 중 이온전도도, 공정 특성, 안정성 측면에서 가장 우위에 있는 재료는 황화물계입니다. 다만 습도에 민감해 부산물이 발생할 가능성이 있어, 추가 연구가 필요한 실정입니다.
따라서 업계는 우선 가장 접근이 쉬운 고분자 전고체 전해질부터 먼저 개발하는 분위기입니다. 대표적으로 LG에너지솔루션은 고분자계 전고체 배터리는 2026년에, 황화물계 전고체 배터리는 2030년에 양산하겠다고 목표 시점을 밝혔죠.
난제 해결과 양산은 엄연히 다르다
작년 중순까지만 해도 전고체 배터리에는 넘어야 할 산이 많은 ‘꿈의 배터리’라는 이미지가 강하게 자리잡고 있었습니다. 대표적으로 배터리 충전 과정에서 음극 표면에 나뭇가지 모양이 쌓여 배터리 수명과 안전성을 떨어뜨리는 덴드라이트(Dendrite) 현상을 제거하는 것도 전고체 배터리 연구진이 직면한 난제였죠.
그런데 최근에는 전고체 배터리가 직면한 난제에 대한 해결 방안이 어느 정도 나왔고, 전고체 배터리 관련 기술은 어느 정도 개발돼 완성에 가깝게 다가간 것으로 밝혀졌죠. 김대기 SNE리서치 부사장은 지난 14일 개최된 NGBS(Next Generation Battery Seminar) 2022 행사에서 “2021년만 해도 많은 기업이 전고체 배터리 양산 시점에 대해서는 ‘2020년대 후반이 될 것’이라고만 답했는데, 최근에는 정확한 시점을 밝히는 업체가 늘었다”며 “2024~2025년쯤이면 전고체 배터리를 양산하는 회사들이 나올 것”이라고 발언하기도 했습니다.
2024~2025년이라는 시점에 대한 근거는 나름 있습니다. 통상적으로 업계에서는 제품을 만들기 위한 기술을 갖춘 시점부터 양산까지 걸리는 시간을 2년으로 보고 있습니다. 시장조사업체 관점에서는 올해 어느 정도 전고체 배터리 관련 기술이 갖춰졌으니 지금으로부터 2~3년 후인 2024~2025년에는 양산을 시작할 것이라고 본 것이지요.
하지만 정작 직접 기업에 몸담고 있는 관계자들은 그렇게 보지 않는 분위기입니다. 국내 한 주요 배터리 업체 관계자는 “전고체 배터리가 상용화되기까지는 여전히 넘어야 할 산이 많이 있다”며 “막상 각 기업이 발표한 시기가 다가왔을 때 시기를 미룰 가능성도 적지 않으며, 개인적으로는 100% 미룰 것이라고 보고 있다”고 말했습니다. 난제 해결을 위한 기술과 양산 기술은 또 별개의 이야기이기 때문입니다.
배터리 시장을 연구하는 한 증권업계 관계자도 “과거에는 학문 차원으로 접근하는 것에 그쳤다면, 이제는 실제 수율(생산 시 정상 제품을 얻어내는 비율)을 따지고 상업성을 높이기 위한 기술을 개발해야 한다”며 “난제 해결과 양산은 차이가 크기 때문에, 생산 시점으로 보면 시기가 미뤄질 가능성이 크다”고 설명했습니다. 결국 전고체 배터리의 상업성을 키워야 한다는 또 다른 과제가 남아 있는 셈입니다.
전고체 배터리 “100% 신뢰는 위험해”
설령 양산에 성공했다 하더라도, 문제가 더 있습니다. 가격입니다. 앞서 발언한 배터리 업계 관계자는 “전고체 배터리 양산을 성공했다 하더라도 감가상각을 따지면 그 비용이 매우 비쌀 수밖에 없다”며 “전기차 업체가 사용하기 부담스러울 정도로 전고체 배터리 가격이 비싸면, 현존하는 배터리의 완벽한 대안이라고 보기 어려울 것”이라고 덧붙였습니다.
현재 우리나라 기업은 글로벌 시장에 3원계 배터리를 주로 납품하고 있습니다. 여기서 3원계 배터리는 니켈·코발트·알루미늄 혹은 망간, 이렇게 세 원소로양극을 만든 배터리를 말합니다. 그러다 보니 차세대 배터리도 3원계 배터리 기술을 기반으로 개발하는 분위기입니다. 이미 전기차 시장에서는 국내 기업이 3원계 배터리 부문에서 강점을 가졌다고 인정하고 있고요.
3원계 배터리는 프리미엄 배터리로 분류되기에 저렴한 가격은 아닙니다. 하지만 그래도 감당할 수 있는 정도의 비용이기 때문에 완성차 업체는 3원계배터리를 국내 기업으로부터 공급받고 있는 것이죠. 따라서 일각에서는 전고체 배터리보다 하이니켈(니켈 비중을 늘려 에너지 용량을 높인 배터리)처럼 높은 성능에 안정성을 갖춘 리튬이온 배터리에 주력하는 것이 더 이득일 수 있다고 보고 있습니다. 굳이 전고체 배터리가 없어도 되는 시대가 올 수도 있다는 것이죠.
그렇다고 주요 배터리 기업이 전고체 배터리 기술 개발을 완전히 손 놓을 수는 없습니다. 앞서 전고체 배터리는 에너지 밀도가 크다고 설명했는데요, 기존 한 번 충전 시 이차전지보다 더 많은 거리를 주행할 수 있기 때문에 확실히 장점은 가지고 있습니다.
여기에 전기차 시장이 급격하게 성장하면서 주요 배터리 기업은 다각도로 시장에 접근하기 시작했습니다. 저가형 배터리부터 프리미엄 배터리까지 제품군을 다양하게 구성하고, 필요에 맞게 공급하기 시작한 것이죠. 그 가운데 모두가 다 전고체 배터리를 개발할 때 혼자만 전고체 배터리를 개발하지 않는다면, 시장에서 도태될 수 있겠죠. 따라서 각 기업이 전고체 배터리를 개발하는 것 자체는 긍정적인 방향이라는 분석입니다. 그렇다고 해서 전고체 배터리가 게임 체인저가 될 것이라고 막연히 믿는 것은 위험하겠죠.
글. 바이라인네트워크
<배유미 기자>[email protected]
삼성SDI, 주행거리 800km ‘전고체 배터리’ 파일럿 착공…2027년 상용화
삼성SDI는 수원 영통에 위치한 SDI연구소 내에 전고체 배터리 파일럿 라인을 구축하기로 했다.
삼성SDI가 배터리 게임체인저로 불리는 전고체 배터리의 파일럿 공장 건설에 착수했다. 전고체 배터리는 화재 안전성이 크게 향상되고 에너지밀도도 높기 때문에 상용화에 성공한다면 단숨에 업계 판도를 뒤집을 수 있다. 삼성SDI는 2025년 시제품 생산, 2027년 상용화를 목표로 하고 있다.
삼성SDI는 최근 경기도 수원시 영통구에 위치한 SDI연구소 내에 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공했다고 14일 밝혔다.
파일럿 라인은 약 6500㎡(약 2000평) 규모로 구축된다. 라인명은 고체(Solid), 독보적인(Sole), Samsung SDI의 앞 글자를 따 ‘S라인’으로 명명했다.
전고체 배터리는 리튬이온배터리의 핵심 소재 중 하나인 전해질을 액체가 아닌 고체로 한 것이다. 액체전해질은 배터리 단락 시 인화물질이 되기 때문에 화재 안전에 취약하다는 단점이 있다. 고체전해질은 불이 붙지 않아 안전성이 향상되고, 이를 바탕으로 음극에 기존 탄소소재 대신 리튬금속을 적용해 에너지밀도를 향상시킬 수 있다.
삼성SDI 전고체 배터리는 삼성전자 종합기술원·일본연구소에서 공동 개발한 기술을 바탕으로 하고 있다. 종합기술원의 이용건 박사를 비롯한 연구진은 전고체 배터리 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C nanocomposite layer)을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 세계 최초로 개발하고 이에 대한 논문을 2020년 3월 10일 네이처 에너지에 게재했다.
이 기술로 전고체 배터리의 고질적 문제인 덴드라이트(Dendrite)를 해결한 것으로 알려졌다. 덴드라이트는 배터리를 충전할 때 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이 음극 표면에 적체되며 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체이다. 이 결정체가 배터리의 분리막을 훼손해 수명과 안전성이 낮아진다.
삼성전자 종합기술원 ‘전고체전지’ 기술 관련 인포그래픽.
종합기술원은 이 배터리가 1회 충전에 800km 주행, 1000회 이상 재충전이 가능한 연구결과를 공개했다.
삼성SDI는 이 기술의 연구(랩) 단계에서 한 단계 더 나아가 공정(파일럿) 단계의 기술 확보에 착수한 것이다.
삼성SDI S라인은 전고체 배터리 전용 극판, 고체전해질 공정 설비, 배터리 내부의 이온 전달이 원활히 이뤄지도록 만들어주는 셀 조립 설비를 비롯한 신규 공법과 인프라 등 전고체 배터리 공정으로 채워질 예정이다.
삼성SDI 측은 “그동안 고체 전해질 설계와 합성에 성공해 전고체 전지 시제품을 만드는 등 기술 개발을 선도해 왔다”며 “이와 함께 독자 리튬금속 무음극 구조를 개발해 업계 최고 수준의 에너지 밀도와 높은 안전성을 확보했다”고 설명했다.
삼성SDI는 2025년에 전고체 배터리 시제품 생산, 2027년 상용화를 목표로 하고 있다.
박철완 서정대 자동차학과 교수는 “(삼성종합기술원 기술은) 오크리지 국립연구소(ORNL)가 1990년대 후반에 개발한 기술을 기반으로 이것보다 한 단계 더 나아간 것”이라며 “전고체 배터리에 대한 검증이 필요하기 때문에 무작정 중대형으로 가기보다는 소형부터 차근차근 적용해 나가는 게 바람직하다고 본다”고 말했다.
리튬보다 밀도 40% 높은 전고체배터리···LG엔솔 “난제 풀었다”
글로벌 전기차 업계에서 차세대 전고체 배터리 개발 경쟁이 한창인 가운데 LG에너지솔루션이 상온에서 충전할 수 있는 전고체 배터리 기술을 개발했다. 전고체 배터리는 최대 800㎞까지 주행할 수 있어 꿈의 배터리로 불리지만 에너지 밀도가 높아 상온에서 빠른 속도로 충전할 수 없다는 점이 난제로 꼽혀왔다. 하지만 LG에너지솔루션은 이번 기술 개발로 전고체 배터리의 개발은 물론 상용화 경쟁에서도 앞서갈 수 있는 계기를 마련했다는 분석이다.
LG에너지솔루션은 24일 “미국 샌디에이고 대학(UCSD)과 공동으로 기존 60도 이상에서만 충전할 수 있었던 전고체 배터리의 기술적 한계를 넘어 상온에서도 빠른 속도로 충전할 수 있는 장수명 배터리 기술을 개발했다”고 밝혔다. LG에너지솔루션 관계자는 “실리콘을 적용한 전고체 배터리 중 상온에서 충·방전 수명이 500회 이상인 건 이번이 처음”이라고 말했다. 공동 연구 결과는 이날 저명한 과학저널인 ‘사이언스(Science)’지에 실렸다.
전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 고체로 대체해 지금 쓰이는 리튬이온배터리보다 에너지 밀도가 높고 안전성이 높은 것으로 알려져 있다. 그러나 에너지 밀도를 높이기위해 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리의 경우 온도에 민감해 60도 이상에서만 충전이 가능하고 속도가 느리다는 점이 한계로 지적돼 왔다.
LG에너지솔루션과 UCSD 공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리의 음극에서 도전재(전도성을 높이는 물질)와 ‘바인더(도전재를 잘 붙게 하는 물질)’를 제거하고, 5㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만분의 1m) 내외의 입자 크기를 가진 ‘마이크로실리콘 음극재’를 적용했다. 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재보다 10배 높은 용량을 가져 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있는 필수 소재로 손꼽히지만, 충·방전 중 큰 부피 변화 때문에 실제 적용이 까다로운 소재이다.
LG에너지솔루션 관계자는 “500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80% 이상의 잔존 용량을 유지할 수 있고 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도를 약 40% 높일 수 있다”며 “LG에너지솔루션이 전고체 배터리 난제 중 하나를 해결해 상용화를 위한 기술적 진일보를 이뤄냈다”고 말했다.
하지만 LG에너지솔루션이 개발한 기술을 상용화하기까지는 후속 연구가 뒤따라야 한다는 지적이다. 박철완 서정대 자동차학과 교수는 “논문을 읽어보니 가압 조건의 랩 수준 모사 셀에서 얻어진 결과로 어떤 전기화학적 원리로 사이클이 유지되고 작동하는지에 대한 세밀한 검토가 필요해 보인다”며 “이런 과제가 해결되지 않는다면 곧장 상용화하기는 쉽지 않을 것”이라고 말했다.
전고체 배터리를 놓고는 특히 한국과 일본 업체간 개발 경쟁이 치열하다. 일본에서는 도요타가 지난 7일 전고체 배터리로 장착한 콘셉트 전기차를 공개하기도 했다. 도요타는 지난해 6월 테스트용 전고체 배터리를 개발했다. 또 세계 첫 전고체 배터리 장착 프로토타입 자동차로 정식 번호판도 받았다. 도요타는 아직 상용화 시점을 밝히지 않았지만, 2023년 내지 2024년께 전고체 배터리를 장착한 전기차를 내놓을 것으로 관측된다.
삼성SDI도 2027년 상용화를 목표로 현대차와 함께 전고체 배터리를 공동 개발 중이다. 아직까진 초기 단계로 소재 개발 등에 나서고 있다. 삼성SDI 관계자는 “소재 개발부터 이를 통한 시제품 테스트, 특성 확인 등 시간이 걸린다”며 “그래서 2027년으로 잡은 것”이라고 말했다. SK이노베이션도 최근 전고체 배터리 연구·개발(R&D) 인력 충원에 나서는 등 본격적으로 경쟁에 뛰어들고 있다. SK이노베이션 관계자는 “배터리 연구조직 내 차세대 배터리만 연구하는 조직을 따로 마련해둔 상황”이라고 말했다.
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