배터리(전고체 배터리)

배터리 양극과 음극 사이에 전해질을 사용하여 전기를 흐르게 하는 것을 2차전지(충전해서 반영구적 사용가능)라 한다.

이에 2차전지로는 리튬이온 배터리를 많이 사용한다. 하지만 수명이 상대적으로 짧고 전해질이 가연성 액체여서 고열에 

취약하다.

 

위와 같은 단점을 해결할 배터리가 이번에 말할 전고체 배터리이다.

기본개념

리튬이온배터리 vs 전고체배터리 구조 비교(출처: 동아일보)

전고체 배터리의 원리는 리튬이온 배터리와 유사하다. 양극과 음극, 분리막, 전해질 4가지로 구성된 리튬이온 배터리와 똑같다. 다만, 액체전해질 대신 고체 전해질이 대체하며, 이 고체 전해질이 분리막 역할까지 대신하는 배터리이다.

 

장점

 - 에너지밀도: 리튬이온전지는 양극의 두께가 한정된다. 두껍게 만들 경우, 그 내부로 액체 상태인 전해액이 침투를 잘 하지 못하기 때문에 성능이 떨어진다. 하지만, 전고체배터리는 모든 성분이 고체이기 때문에, 양극에도 사전에 고체 전해질이 섞여서 만든다. 이를 통해 이온이 움직일 수 있는 통로를 만들어주기 때문에, 전극을 두껍게 만든다고 해도 이온들이 충분이 이동할 수 있다. 그렇기에 같은 면적에 전극을 두껍게 하면 단위 면적당 용량을 훨씬 많이 실을 수 있다.

   또한,  리튬 금속을 그대로 음극에 쓰는 것이다. 리튬이 에너지 밀도 측면에서 가장 좋지만, 화재 위험성이 높아 잘 못쓰고 있어서, 리튬이온배터리에는 흑연이 실리콘을 섞어서 음극재로 쓰고 있다. 하지만 전고체 배터리는 리튬 금속을 그대로 음극으로 쓸수 있다고한다. 또한, 삼성 sdi는 무음극 기술도 발표하였는데, 이 기술은 집전체 위해 은과 구리의 얇은 층을 만들어주면, 충전할 때 양극에 있는 리튬이 나가서 양극 위에 리튬 층이 생기고, 리튬이온이 그 층을 왔다갔다 하면서 리튬층이 생겼다 없어지게 한다. 이 기술이 에너지 밀도를 상당히 올릴수 있다고 한다.

   리튬이온 배터리는 용량이 300~360Wh/kg정도가 최대 한계이지만, 전고체 전지는 400~450Wh/kg까지 충분히 나올 수 있다.

 - 안전성: 기존의 배터리에 사용되는 전해질은 불이 잘붙은 가연성 물질이다. 그렇기에 사고가 나면 불이 잘나는 단점이 있다. 하지만 전고체배터리에 들어가는 전해질은 비가연성 물질로 모든 소재가 안정적이기 때문에 화재위험이 없다. 또한, 전해액이 고체로 되어 있어 외부의 충격과 온도도 강하므로 안전성이 높다. 또한, 사용 온도범위가 넓다는 점이다. 전기차의 단점은 겨울철에 배터리 성능이 저하되 방전이되거나 주행거리가 줄어드는 것이다. 전고체배터리는 이를 해결할 수 있다.

 - 구조 단순 및 고출력: 분리막이 필요없으며, 액체 전해질 주액 공정 없이 연속 공정을 통해 다양한 형태의 셀을 구현할 수 있다. 또한, 액체 전해질과 달리 리튬이온이 용매와 분리되는 탈용매 반응이 필요없어, 충, 방전 반응이 고체 내 리튬이온 확산 반응이 되므로 높은 출력 낼수있다.

 

단점

 - 이온전도도: 고체전해질이기 떄문에 액체전해질 보다 낮은 이온전도도 값을 갖는다. 원가 측면에서 고체 전해질이 액체 전해질과 분리막을 만드는 값보다 원가가 낮아야 하는데, 소재의 특성상 아직은 원가를 낮추기 어렵다.

 - 양산성: 이 부분이 가장 큰 난관으로, 양산을 하기에 어려운 공정들이 많다는 점이다. 황화물계 전해질은 고체 전해질 중에 가장 높은 전도도를 갖는다. 다만, 위 전해질은 대기나 습기에 노출이 되면 안되기 떄문에 생산 조건이 까다롭다. 리튬이온배터리의 경우 생산 공정에 있어서 수분만 신경쓰면 되기 떄문에 생산 공정 가격 경쟁력에서 밀리는 단점이 있다.

 - 계면저항: 양극, 음극, 전해질 모두 고체이다 보니 고체-고체간 계면이 형성되는데 액체만큼 공간이 접촉되기 어렵다. 이때 이 빈공간 때문에 상대적으로 높은 저항을 갖게되며, 리튬이온이 이동하는 경로가 줄어들기 때문에 에너지밀도를 낮추는 단점이 있다.  또한, 이 빈공간을 줄이기 위해 강한 압력과 온도를 필요로 하는데 설비 구축이 어렵다. 

 

전고체 전해질 종류

 전고체 배터리의 종류를 결정하는 건 고체 전해질의 성분이다. 대표적으로 무기 고체전해질(산화물계와 황화물계)와 유기 고체전해질(폴리머)로 나눠진다.

  - 산화물계 : 전도도가 높아서 현재의 리튬이온 전지보다 더 우수한 성능이 나온다. 이 높은 전도도를 자랑하는건 질화리튬인데, 이 물질은 안정적인 전압 범위가 0.45V밖에 안되기 때문에, 고전압을 전지를 구성하는데 방해가 된다. 또한, 이 산화물계 전해질의 경우, 리튬 확산은 빠르나, 입자끼리나 계면 저항이 매우 높아지는 단점이 있다. 또한, 리튬이온외에도 활물질과 고체 전해질의 원소와 서로 만나 계면에 반응하는 단점도 있다. 마지막으로 전극과 전해질 간 접촉 계면 형성이 어려워, 1000도 이상의 고온 열처리가 필요하며 셀을 대형화 하기 어렵다.

 

  - 황화물계 : 무른 특성이 있어서 입자들이 잘 뭉치는 특징이 있다. 그렇기 때문에 접촉면적을 잘 만들어주고 리튬이온을 잘 이동할 수  있게 해주어서 고출력을 낼 수 있다. 산화물 이온에 비해 큰 황화물 이온은 음이온 간의 틈새가 넓어 이온 전도 경로가 좋다. 따라서 리튬이온이 움직이는 쉬운 상태가 된다. 또한, 황화물계는 실온에서 입계 저항이 매우 낮으므로 간단한 공정으로 전지를 제작 할 수 있다. 다만, 황화물계 고체 전해질은 대기 중의 습기와 쉽게 반응해 취급하기 어려운 재료이긴 하다. 또한, 리튬 이온에 대한 속박력이 약하기 때문에, 리튬 이온 농도가 낮다. 이때 전극의 활물질과의 계면에서 전하층에 리튬이온이 부족하게 되어, 출력 성능을 저하시킨다. 이는 고체 전해질 중 이온전도도는 우수하지만, 에너지 밀도를 높이기 위해 정극과 조합했을때 결점이 된다. 

 - 폴리머계 : 기존의 리튬 폴리머 기술과 유사해 활용성이 높다. 기존 2차전지 공정과도 크게 다르지 않기 때문에 Roll to Roll공정에도 적용할 수 있으며 제조원가가 낮다. 덴드라이트 생성을 최소화해 리튬메탈과 반응이 안정적이고, 플렉시블 형태도 구현하기 적합하다. 다만, 이온전도도가 낮고, 고온 환경에서만 사용할 수 있다는 단점을 갖고 있다.

 * 덴드라이트: 리튬이온전지를 사용할떄 생기는 나뭇가지 모양의 결정으로, 너무 크게 자라면 양극과 음극을 분리하는 전극 사이를 이어 단락을 일으켜, 전지의 기전력을 잃게 만든다. 또한, 전류가 급격히 증가하여 발생한 열로 화재의 원인이 되기도 한다.

 

전고체 배터리의 개발 방향

 - 전고체 배터리는 향후 전기차용 배터리를 기존 리튬이온에서 전고체로 바꾸려고 한다. 그이유는 첫째, 전기차 배터리 용량을 높여야 하기때문이다. 현재 많은 나라들이 내연기관 자동차에서 전기자동차로 바꾸려고한다. 이에 적어도 내연 기관과 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하기 때문에, 전기차용 배터리 용량을 증가시켜야 한다.

 - 그런데 이 용량을 증가시키기 위해서는 배터리 개수를 늘리는 방법과 에너지 밀도를 높여 배터리 용량을 늘리는 방법이 있다. 그런데 배터리 개수를 늘리는것은 전기자동차 가격을 높일 뿐만 아니라 공간 효율성을 저해시키는 단점이 있다. 하지만 에너지 밀도를 높이는 방법은 이 단점들을 해결할 수 있다. 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 폭발이나 화재의 위험성도 사라지기 때문에 안전성 측면에서도 강한 장점이 있다.

  - 또한, 이러한 성능을 맞추기위한 전고체 별로 가장 중요한 극복 과제는 황화물계는 수분 안전성(황과 수분이 만나면 유해한 황화수소 발생), 산화물계는 전지 셀 가공성, 폴리머는 낮은 이온전도도를 극복하는 것이다.

  - 고체 전해질은 이온이 고체 격자 사이에서 이동하므로 활물질과 전해질간 접촉 계면을 극대화하는 동시에 계면 저항을 최소화 해야한다. 액체전해질과 다르게 고체 전해질은 젖음성이 없으므로 흐름성이 없다. 그리고 각성분마다 크기와 형상이 다양하므로, 계면 형성이어렵고, 전자와 이온의 통로를 만드는 것이 어렵다. 고체전해질은 얇으면서도 결함이 없어야 하며, 양극과 계면 접촉이 좋아야 하는데 말이다.

  - 폴리머 전고체 배터리는 플렉시블한 배터리를 구현하여 응용하기 좋다. 이를 위해선 밴딩 특성과 용량, 수명 특성이 좋아야하며, 플렉시블한 파우치가 개발되야한다.

 

이와같이 개발이 활발히 되어가고 있으며, 일본의 한 경제 연구소는 전고체 시장이 2035년에는 2조 8,000억엔 규모로 성장할 것으로 전망한다.