전해질에는 여러 종류가 있습니다. 그중 고체 전해질은 말 그대로 고체 형태의 전해질을 뜻하는데요. 고체 전해질이 상용화되면 배터리의 기본 요소가 4개에서 3개로 달라질 수 있다고 합니다. 배터리 핵심 구성 요소를 바꿀 수 있는 힘을 가진 고체 전해질에 대해 자세히 알아보겠습니다.
리튬이온배터리의 전해질 특징
리튬이온배터리의 전해질은 주로 액체 형태입니다. 리튬 이온들이 전극을 원활하게 이동할 수 있도록 하기 위해서, 이온 전도도가 높은 액체 형태의 전해질(전해액)을 사용하는데요. 액체 전해질을 사용할 경우 배터리의 내부 안정성을 높이기 위해서 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막는 분리막이 필요합니다.
분리막이 필요 없는 고체 전해질
반면, 고체 전해질은 분리막이 없는 배터리를 만들 수 있게 해줍니다. 유기물 형태로 구성된 액체 전해질과 달리 고체 전해질은 그 자체로 분리막 역할을 할 수 있습니다. 온도 변화로 인한 부반응이나 외부 충격에 따른 누액 위험이 없죠. 또한 전해액과 분리막이 없으므로, 에너지 밀도를 높이는 물질도 첨가할 수 있어 고밀도 배터리 구현도 가능합니다.
고체 전해질과 이온 전도도
고체 전해질의 본질적인 기능은 바로, ‘리튬 이온의 통로’입니다. 안정성도 중요하지만, 무엇보다 리튬 ‘이온 전도도’가 높아야 하는데요. 고체 전해질은 이온이 흐르는 것이 아닌, 고체 격자 사이에서 이동합니다. 따라서, 이온 전도도를 높이기 위해서는 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서의 저항을 최소화해야 합니다.
고체 전해질의 종류
고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지 종류로 나눌 수 있습니다. 황화물계 전해질은 전극과 전해질 간의 계면을 넓게 형성할 수 있어 리튬 이온 전도도가 높은 특징을 갖고 있습니다. 산화물계 전해질은 황화물계보다는 리튬 이온 전도도가 낮은 편이지만, 전기화학적 안정성이 우수합니다. 마지막으로, 폴리머계 전해질은 기존 액체 전해질 기술과 유사해 활용도가 높고, 제조 공정도 비슷하기 때문에 비용 경쟁력을 갖추고 있습니다.
LG에너지솔루션은 올해 고분자계 전고체 배터리를 2026년까지, 황화물계 전고체 배터리는 2030년까지 상용화할 계획을 발표했습니다. 이를 위한 연구도 성과를 거두면서 2021년 9월, 미국 샌디에이고 대학과 함께 개발한 상온 구동 장수명 전고체 배터리 기술이 *사이언스지에도 게재되었는데요. 전고체 배터리 상용화를 위한 LG에너지솔루션의 도전에 많은 관심과 응원을 부탁드립니다.
*사이언스(Science)지 (373권 6562호)