차세대 이차전지인 전고체배터리의 고체 전해질막 개발한 ETRI

전고체 배터리

전고체 배터리는 리튬 이온 배터리의 전해질을 고체로 바꾼 것입니다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 움직일 수 있게 도와주는 역할을 합니다. 

현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있습니다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리입니다. 

 

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전고체 배터리의 구조를 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.

 

리튬인온-전고체 배터리의 구조 비교, POSCO 뉴스

전고체 배터리의 가장 큰 장점은 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.

또한, 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. 

하지만 아직도 개선해야 할 부분들이 있습니다. 예를 들어, 고체전해액은 액체전해액보다 리튬 이온을 전달하는 능력이 부족합니다. 또한, 아직 가격 측면에서 리튬이온전지에 비해서 비쌉니다. 그리고 고체와 고체가 맞닿는 곳에는 계면저항이 생기며, 이 계면저항으로 인해서 전도성이 떨어지는 문제가 있습니다.

 

고체 전해질막

고체 전해질막은 전기차나 휴대폰 등에서 사용되는 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소인 전해질을 고체 형태로 대체한 것입니다. 전해질은 배터리의 양극과 음극 사이에서 이온을 이동시키는 역할을 합니다.

 

고체 전해질막이 적용된 배터리에서는 양극과 음극 사이에서 이온이 움직일 수 있게 도와주는 역할을 합니다.

 

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전기적인 에너지가 배터리에 공급되면, 양극에서는 물이 산소와 양성자로 분해됩니다. 이때 생성된 양성자들은 고체 전해질막을 통해 음극으로 이동하게 됩니다. 음극에서는 이 양성자들이 전자와 결합하여 수소를 생성하게 됩니다.

기존의 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하고 있습니다. 하지만 액체 전해질은 온도 변화나 외부 충격에 의해 누출되거나 화재를 일으킬 수 있는 위험이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 고체 전해질막이 개발되었습니다.

고체 전해질막은 가연성 액체 전해질 대신 고체를 사용함으로써 배터리의 안전성을 크게 향상시킵니다. 또한, 고체 전해질막은 기존의 액체 전해질에 비해 에너지 밀도가 높아, 배터리의 용량을 향상시킬 수 있습니다.

 

ETRI

한국전자통신연구원(ETRI)은 최근에 황화물계 고체 전해질과 고분자 직물 지지체를 활용하여 기존 펠릿 형태 대비 10배 이상 얇고 에너지 밀도는 6배 증가한 고체 전해질막 개발에 성공하였다고 발표하였습니다. 이 새로운 기술은 기존 펠릿(전고체 전해질 입자를 압축하여 만든 작은 조각) 형태 대비 두께가 10배 이상 감소하고, 이온전도 특성은 2배 증가하였습니다. 또한, ETRI의 고체 전해질이 적용된 모노셀의 출력은 20% 향상되었고, 부피당 에너지 밀도는 기존 대비 6배나 증가하였습니다.

 

전기차 적용 효과

1. 안전성 향상

전고체 배터리는 가연성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하기 때문에 화재나 폭발 위험성이 적습니다. 이로 인해 전기차의 안전성이 크게 향상될 것입니다.

2. 에너지 밀도 증가

전고체 배터리는 에너지 밀도가 높아, 리튬 이온 배터리의 두 배 이상의 에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 전기차의 주행 거리를 늘릴 수 있습니다.

 

전고체 배터리의 장점, POSCO 뉴스룸

3. 부품 감소와 공간 활용도 증가

전고체 배터리 상용화가 성공하게 되면, 전기차 배터리 안에 들어가는 부품 수가 줄어들어 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있게 됩니다. 이는 배터리 내부의 공간 활용도를 높이는 것을 의미합니다.

4. 비용 절감

한국전기연구원 (KERI) 차세대전지연구센터 연구팀은 고순도의 고체 전해질을 생산할 수 있는 '원팟 (one-pot)' 합성법을 개발하여 재료비를 크게 절감할 수 있게 되었습니다. 이로 인해 전고체 배터리의 가격 경쟁력이 향상될 것으로 기대됩니다.

하지만 아직 전고체 배터리를 전기차에 적용하기 위해서는 더 많은 연구와 개발이 필요합니다. 그럼에도 불구하고, 전고체 배터리는 배터리 업계를 주도할 차세대 기술이자 전기차 상용화의 핵심이 될 것으로 전망되고 있습니다.