우리는 배터리 시대에 살고 있습니다. 이를 증명하듯 이차전지 시장은 빠른 속도로 팽창되고 있으며 이차전지의 Next Level에 대한 관심도 커지고 있습니다.
배터리 업계에서는 그중에서도 ‘전고체’ 배터리에 주목하고 있습니다. 높은 안전성과 우수한 에너지 밀도를 가지고 있기 때문인데요. 전문가들은 전고체배터리가 리튬이온배터리의 이론적 한계를 극복하고, 배터리의 수준을 한 차원 더 높은 곳으로 끌어올릴 것이라 기대하고 있습니다.
이번 시간에는 리튬이온배터리의 한계를 극복하기 위해 Level up 중인 ‘전고체배터리’에 대해 알아보겠습니다.
전고체배터리(All Solid-State Battery)란?
리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되어 있습니다. 그중 리튬이온의 통로 역할을 하는 전해질은 이온전도도가 높은 액체로 이루어져 있는데요. 액체 전해질을 고체로 바꾼 이차 전지가 바로 ‘전고체배터리’입니다. 따라서 전고체배터리는 모든 구성요소가 고체로 되어 있죠. 특히 고체 전해질은 그 소재가 고체이기 때문에, 분리막의 역할도 동시에 할 수 있다는 특징을 가지고 있습니다.
우수한 안전성과 높은 에너지 밀도를 자랑하는 전고체배터리
전고체배터리의 가장 큰 특징은 ‘우수한 안전성’입니다. 전해질이 고체이기 때문에 외부 충격으로 인한 누수 위험이 없고, 높은 열적 안정성을 지니고 있어 화재의 위험을 차단할 수 있습니다.
또한, 전고체배터리는 ‘높은 에너지 밀도*’를 가질 수 있습니다. 기본적으로도 고체가 동일 부피의 액체보다 밀도가 더 높은 특징에 더해, 전고체배터리에서는 분리막을 없앤 대신 양극·음극 활물질을 더 채울 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 게다가 안전성이 높은 덕분에 기존에 공간을 차지했던 열 관리 시스템들을 상대적으로 덜어내고, 배터리 팩에 더 많은 셀을 탑재할 수 있습니다. 이는 곧 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있다는 의미입니다.
*에너지 밀도: 단위 무게당 또는 단위 부피당 에너지의 양
그리고 전고체배터리의 고체 전해질은 액체 전해질에 비해 외부의 온도 영향을 적게 받기 때문에, 일반적인 배터리들이 겪는 겨울철 성능 저하 현상의 단점도 개선할 수 있습니다.
고체 전해질의 종류
전고체배터리의 고체 전해질로는 대표적으로 ‘황화물계’, ‘산화물계’, ‘고분자계(폴리머)’가 연구되고 있습니다.
■ 황화물계(Sulfide): 전극과 전해질 간의 계면을 넓게 형성하여 이온전도도가 가장 우수하고, 계면* 저항 특성이 고르다는 특징이 있어서 고체 전해질로 가장 유망한 소재입니다. 반면 공정 과정에서 황화수소(H2S)가 발생하고 습기에 민감하기 때문에, 모든 공정에서 수분을 컨트롤 할 수 있어야 합니다.
*계면: 기체, 액체, 고체 중 2개의 상이 접할 때 상과 상 사이에 형성되는 경계면
■ 산화물계(Oxide): 황화물계에 비해 이온전도도가 낮지만, 공기 중에서 전기화학적 안정성이 우수합니다. 하지만, 전해질과 전극 사이 접촉 계면 형성이 어려워 합성을 위해 매우 높은 고온에서 열처리를 해야 한다는 특징이 있습니다.
■ 고분자계(Polymer): 액체 전해질이나 고체 전해질 등 다양한 전해질과 호환할 수 있는 하이브리드 형태로 기존 액체 전해질의 제조 공정 기술을 적용할 수 있기에, 공정 비용을 절감할 수 있습니다. 반면 황화물/산화물계 소재 대비 이온전도도가 낮아 저온에서 성능과 출력이 저하될 수 있어 끊임없이 연구를 진행 중입니다.
전고체배터리에 사용되는 음극재
전고체배터리의 에너지 밀도 향상과 상용화를 위한 음극재 기술로 ‘리튬메탈 음극재’와 ‘실리콘 음극재’ 적용이 연구되고 있습니다.
■ 리튬메탈 음극재: 리튬메탈(금속) 음극재를 활용하게 되면 음극 표면에 덴드라이트*가 발생할 수 있습니다. 덴드라이트는 배터리 용량 감소, 충방전 효율 감소 등의 영향을 줄 수 있는데요. 이때 전고체배터리의 고체 전해질은 튼튼한 분리막 역할을 수행하여, 덴드라이트로 발생할 수 있는 셀 손상 문제를 억제하는 데 기여할 수 있습니다. 리튬메탈 음극재를 적용할 경우, 흑연 음극재를 사용할 때보다 용량이 10배가량 향상되는데요. 이는 양극재에서 나온 리튬이온을 리튬메탈 음극재가 더 많이 저장할 수 있기 때문이죠. 따라서, 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 음극재로 이동하는 리튬이온이 리튬메탈과 바로 환원 반응을 일으키는데 이를 통해 배터리의 충전 속도를 높일 수 있습니다.
*덴드라이트: 배터리 충·방전 시 음극 표면에 맺히는 리튬 결정
■ 실리콘 음극재: 기존 리튬이온배터리의 흑연보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 보이는 실리콘 음극재를 전고체배터리에 적용할 수 있습니다. 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재에 비해 높은 용량을 가져 배터리의 에너지 밀도 향상을 위한 필수 소재로 손꼽히지만, 충방전 중 부피가 크게 변할 가능성이 있습니다. 때문에 현재 더 높은 함량의 실리콘 음극재 적용을 위한 연구가 계속되고 있죠.
전고체배터리의 극복과제
전고체배터리 역시 극복해야 할 과제가 존재합니다. 먼저, 액체 전해질 대비 ‘낮은 이온전도도’입니다. 고체 전해질은 액체 전해질보다 상온에서 이온전도도가 느리고 전기 화학적 성능이 떨어지는데, 이는 출력 및 충전 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 때문에 이온전도도를 높일 수 있는 고체 전해질 소재를 끊임없이 연구하고 있죠.
다음으로는 ‘높은 계면 저항’을 해결해야 합니다. 액체 전해질은 표면 장력이 작용하여 전극과 밀착되고 리튬이온이 쉽게 이동할 수 있습니다. 반면, 고체 전해질은 리튬이온의 확산과 활물질의 산화·환원 반응이 두 소재의 맞닿은 지점(Contact Point)에서만 발생하게 됩니다. 때문에 고체 전해질이 균일한 분포를 가지지 않으면 계면 저항이 높아지고 리튬이온의 이동이 어려워질 수 있죠. 이는 전지의 성능에 영향을 줄 수 있어, 고체 간 접촉계면을 유지할 수 있는 솔루션을 개발하고 있습니다.
전고체배터리 개발을 위한 LG에너지솔루션의 노력
LG에너지솔루션은 글로벌 배터리 시장을 선도하기 위해 전고체배터리 연구와 개발에 박차를 가하고 있습니다. 그 노력의 일환으로, 지난 2021년 LG에너지솔루션과 미국 샌디에이고 대학교(UCSD)의 공동 연구팀이 기존에는 60도 이상에서만 충전이 가능했던 기술적 한계를 극복하고 상온(통상 25℃를 의미)에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 ‘장수명 전고체배터리’ 기술 개발에 성공했습니다. 연구팀은 전고체배터리 음극에 5um(마이크로미터) 내외의 입자 크기를 가진 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용하여 문제를 해결했습니다. 실리콘 음극재는 충·방전 중 부피 변화가 커서 적용이 까다로운 것으로 알려져 있는데요. 그럼에도 불구하고, 상온에서 충·방전 수명 500회 이상을 넘기고 이후에도 80% 이상의 잔존 용량을 유지했으며, 에너지 밀도 역시 현재 상용화된 리튬이온배터리와 비교해 40% 이상 향상되는 혁신적인 결과를 이끌어 냈습니다. 해당 연구 논문은 과학계 연구성과 지표의 기준인 과학 저널 ‘사이언스(Science)’지(373권 6562호)에 게재되면서 세계적으로 인정받았습니다.
이번 시간에는 차세대 배터리의 주역으로 평가받고 있는 ‘전고체배터리’에 대해 알아보았는데요. 안전성과 성능 면에서 발전된 배터리의 등장이 머지않았음을 체감할 수 있었습니다. LG에너지솔루션의 차별화된 기술력이 집약된 전고체배터리에 많은 관심 부탁드려요!