자동차 배터리의 미래, 전고체 배터리는 도대체 뭘까?

K'sCar 2022. 8. 24.

전고체 배터리는 앞으로 나올 꿈의 배터리로 주목받고 있지만 아직 상용화가 되지 않아 현행 전기자동차는 거의 대부분 리튬이온 배터리를 사용하고 있습니다. 리튬이온 배터리의 한계로 인해 현재 전기차는 무거운 무게와 짧은 주행거리를 가지게 되었습니다.

리튬이온 배터리는 전고체 배터리 대비 에너지 밀도가 낮아 동일한 공간을 배터리로 채울 때 더 적게 채울 수 밖에 없기 때문입니다. 전고체 배터리는 더 적은 부피를 가지기 때문에 동일한 부피에 더 많은 배터리를 채울 수 있다는 강점과 발열이 적다는 큰 장점이 있습니다.

현재 사용중인 리튬이온 배터리와 앞으로 나오게 될 전고체 배터리는 어떤 차이가 있는지 알아보겠습니다.

전고체 배터리

전기차 배터리

- 리튬이온 배터리

리튬이온 배터리의 내부에는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있습니다. 이 중에서도 전해질이 액체 상태로 존재하는 배터리가 현재 자동차 배터리, 스마트폰 등에 사용되고 있는 리튬이온 배터리입니다.

- 전고체 배터리

전고체 배터리(All Solid Slate Battery)는 이름에서도 알 수 있듯이 배터리 전체가 고체 상태인 배터리를 의미합니다. 즉, 전해질이 고체 상태로 존재하는 배터리입니다. 또한 리튬이온 배터리는 각 극 사이에 충돌을 방지하는 고체 형태의 분리막이 존재하지만 전고체 배터리는 분리막의 역할을 전해질이 하기 때문에 분리막이 없는 형태입니다.

*전해질이란 전자가 흐르는 길입니다. 배터리가 전력을 공급하기 위해 내부에 전류가 흐르고 있습니다. 전류는 전자가 특정 방향으로 이동하는 것을 의미하는데 이를 다시 말하면 배터리 내부에서는 전력 공급을 위해 전류가 한쪽 방향으로 흐르고 있다는 것입니다. 이로 인해 +,- 극이 생기게 됩니다. 이 길을 전해질이라고 합니다.

전고체 배터리와 리튬이온 배터리 차이 — 출처 : 삼성 SDI ( https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56461.html?listType=gallery )

전고체 배터리 특징

전고체 배터리의 가장 큰 장점 중 하나는 바로 뛰어난 안정성입니다. 배터리라는 것은 사용하는 특성상 온도 변화가 잦은 물건이기 이므로 물질변화가 적은 고체를 사용하는 것이 안정성 확보에 유리합니다. 온도에 더욱 민감하게 반응하는 액체를 사용하는 리튬이온 배터리는 팽창 현상 등이 일어나기 때문에 추가적인 장치가 필요합니다.

전해질이 고체 상태인 전고체 배터리는 이러한 열 변형이 적으며 일부 파손되어도 유출의 문제가 거의 없기 때문에 더욱 안전합니다. 옛날 분리형 스마트폰 배터리를 사용하셨던 분들이라면 배터리가 부풀어 오른 현상을 한 번쯤 보았을 것입니다. 그러한 현상이 바로 리튬이온 배터리의 전해질이 팽창한 것입니다.

또 다른 장점은 부피가 작다는 것입니다. 양극과 음극은 서로 만날 시 급격한 에너지 반응이 일어나기 때문에 액체의 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리는 고체 형태의 분리막을 통해 둘이 만나지 않도록 나눕니다. 그러나 전고체 배터리는 전해질이 고정된 고체 형태이기 때문에 둘이 이동하지 않아 추가적인 분리막이 필요가 없게 됩니다. 이로써 무의미한 공간을 줄일 수 있습니다.

이 밖에도 음극을 흑연이나 실리콘 대신 리튬 금속을 사용하여 에너지 밀도를 더 늘릴 수 있고 수명이 길다는 장점이 있습니다.

전고체 배터리를 사용하려는 이유

예나 지금이나 전기차의 가장 큰 문제는 주행 거리입니다. 초소형 전기차들은 주행거리가 100km 이내로 집 주변을 벗어나기 어려운 경우가 많으며 주행거리가 짧다는 이유로 차량 구매를 피하는 경우도 허다합니다. 아이오닉 5가 초기에는 낮은 용량의 배터리를 사용했지만 결국 높은 용량으로 업그레이드 한 이유도 마찬가지입니다.

겨울철 낮은 온도와 히터 사용으로 인해 주행거리가 짧아지는 것도 문제입니다. 최근 저렴한 가격으로 인해 저가 전기차에서 주로 사용되고 있는 LFP 배터리 또한 겨울철 주행거리가 짧아 사계절 변화폭이 큰 우리나라에서는 적합하지 않은 편입니다.

주행거리를 늘릴 수 있는 방법은 여러가지가 있지만 가장 1차원적으로 효과가 확실한 방법은 배터리 용량을 늘리는 것입니다. 전비가 5인 전기차에 배터리를 5 kWh를 추가하면 단순 계산으로 25km를 더 갈 수 있기 때문입니다. 실제로는 무게 증가로 인해 전비가 하락하기 때문에 주행거리 25km를 늘리려면 더 많은 배터리를 추가해야합니다.

그러나 자동차 내부에 배터리를 탑재할 수 있는 공간은 한정되어 있습니다. 대형 SUV의 경우는 공간의 제약이 상대적으로 적기 때문에 더 많은 배터리를 탑재할 수 있지만 경차나 소형차는 그 공간이 적을 수밖에 없기 때문입니다. 이 때문에 대형 SUV 차량의 전기차가 먼저 나오는 것입니다.

리튬이온 배터리와 전고체 배터리 부피 차이, 출처 : 삼성 SDI ( https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56461.html?listType=gallery )

전고체 배터리는 리튬이온 배터리 대비 안정성과 관련된 부품들의 숫자가 현저하게 줄어들며 분리막 또한 필요 없게 됩니다. 이로 인해 같은 부피에 훨씬 많은 용량을 채울 수 있어 부피당 에너지 밀도가 현저히 높습니다.

따라서 전기차 배터리를 전고체 배터리로 변경할 시 주행거리가 훨씬 길어질 것이라는 예상이 있습니다. 또한 사고 시 발생할 수 있는 화재 위험 등에서도 더 안전합니다.

전고체 배터리는 아직 연구중인 배터리입니다. 국내 많은 배터리 생산 회사들 또한 전고체 배터리를 상용화하기 위해서 많은 노력과 투자를 아끼지 않고 있습니다. 빠르다면 2024~2025년 즈음 첫 번째 전고체 배터리 양산 회사가 나올 것이라는 전망이 있습니다.

해당 배터리가 전기차에 탑재되고 테스트한 뒤 출시되려면 1~2년은 연구되어야 할 테니 2027년 즈음부터는 전고체 배터리 전기차를 만나볼 수 있을 것으로 예상됩니다. 지금으로부터 5년 뒤, 전기차 시장은 과연 어떤 식으로 변화되어 있을지 너무나 궁금합니다.

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