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전고체 배터리, 상용화 시기는 언제?

2022년부터 시장은 형성…2025년부터 시장 무르익을 것으로 보여

전고체 배터리, 상용화 시기는 언제?


[산업일보]
전(全)고체 전지(All-solid battery) 말 그대로 모든 부분이 고체로 이루어진 전지다. 현재 리튬이온전지는 리튬이온 캐리어(carrier)인 전해질이 유기 용매, 즉 액체로 이루어져 있고 나머지 양극/음극/분리막/양음극집전체 등은 고체로 이루어져있다.

유일한 액체 물질인 전해질이 고체로 바뀌어 모든 구성 물질이 고체화 된다는 의미에서 전고체 전지라 불린다. 그렇다면, 고체 전해질의 개발 당위는 무엇일까?

하나금융투자의 ‘기술 이슈 점검 ‘전고체 배터리, 무엇이고 언제 될까?’ 보고서에 따르면, 고체 전해질의 당위는 액체 전해질의 단점을 살펴봄으로써 자연스럽게 알 수 있다. 액체 전해질의 가장 큰 문제는 에너지 밀도 향상 과정에서 발화 가능성이 함께 상승한다는 것이다.

배터리 업계의 개발 과제는 당연히 에너지 밀도 향상인데, 밀도 향상은 양극과 음극의 전압 및 전류랑을 증대시킴으로써 달성 가능하다. 문제는 전압 및 전류량 상승 과정에서 가연성 유기 용매인 액체 전해질과 양/음극 간의 반응성이 커진다는 것이다.

이온 전도도 높이기 위해 선택한 유기 용매의 선천적 가연성 때문에 높은 전압과 맞물려 발화 가능성이 높아지는 것이다. 그러나 가연성분이 없는 고체 전해질은 발화 가능성이 사실상 제로에 가까워 양/음극의 전압 및 전류량을 마음껏 높일 수 있다는 것이 전고체전지 개발의 당위다.

다만 잊지 말아야 할 것은 전해질의 역할이다. 전해질은 리튬이온이 양극에서 음극으로, 음극에서 양극으로 원활하게 이동하도록 돕는 역할을 수행한다. 따라서 이온전도도가 높을수록 좋은데, 전도도는 당연히 고체보다 액체가 높다. 이온 캐리어(carrier)로서 고체 전해질의 퍼포먼스는 아직 만족할만한 수준이 아니다. 따라서 현재 전고체 전지 개발자들의 제 1 개발 과제는 고체 전해질의 이온전도도를 높이는 것이다.

이온 전도도를 높이는데 성공하면 앞서 언급한 것처럼 고체 전해질은 애초에 폭발 위험이 없으므로 마음껏 양극과 음극의 전압 및 전류량을 높일 수 있다. 전극을 더 두껍게하고 그동안 덴드라이트 문제 때문에 흑연을 사용했던 음극에 리튬 금속을 사용하는 등 배터리 에너지 밀도를 크게 높일 수 있을 것으로 판단된다.

다만, 지금까지 말한 이온 전도도 향상, 발화 가능성이 낮은 리튬 금속 음극 등에 대한 상용화까지 아직 많은 단계가 남아있다. 연구소 단위에서의 개발과 양산 단위에서의 개발은 차원이 다른 문제다.

하나금융투자의 김현수 연구원은 “2025년까지는 기존 유기 용매 액체 전해질 기반의 리튬이온전지 개념하에서, 양극재 니켈 비중 증대와 양극재 결정 단결정화, 음극재 실리콘 첨가, 공정 효율화를 통해 주행거리 600km 수준의 에너지밀도 달성 가능할 것으로 판단된다”며, “이미 업계의 양산 기술은 니켈 비중 80% 양극재 통해 주행거리 500km 상용화까지 성공시켰다”고 말했다.

김 연구원은 “2021년부터 본격 양산 예상되는 단결정 양극재, 2022년부터 시장 열릴 것으로 예상되는 실리콘 첨가 음극재, 배터리 표준화 작업 돌입한 전지 업계의 규모의 경제 효과 감안하면 2025년까지 시장이 만족할 만한 수준의 주행거리 확대 및 배터리 가격 하락을 이끌어낼 수 있을 것”이라고 내다봤다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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