차세대 배터리, 전고체 배터리는 왜 에너지 밀도가 높을까요?

차세대 배터리의 주인공 전고체 배터리에 대해 알아보겠습니다.

사실 몇 달 전 삼성전자 종합기술원에서 전고체 전지의 수명과 안전성을 높이는 동시에 배터리를 작게 구현한 원천 기술을 개발해 세계적인 학술지 '네이처 에너지'에 게재되기도 했었는데 이게 대단한 거거든요. 암튼 전고체를 자세히 알기 전, 배터리의 네 가지 구성 요소에 대해 잠깐 얘기할게요. 배터리의 네 가지 구성 요소, 배터리 F4, 즉 4대 소재는 양극, 음극, 분리막 그리고 전해질이잖아요. 전고체는 바로 전해질과 관계있어요. 기존 액체 상태이던 전해질이 고체로 바뀐 배터리가 바로 전고체 배터리입니다.

전고체 배터리 지금부터 자세히 한번 알아볼까요?

리튬이온 배터리 구조 출처:삼성SDI

전통적인 리튬이온 배터리와 전고체 배터리는 어떻게 다를까요? 먼저 전통적인 리튬이온 배터리의 구조부터 보겠습니다.

좌우로 양극과 음극이 있고 사이에 분리막이 자리 잡고 있습니다. 그리고 액체 전해질이 음극 또는 양극과 함께 있죠.

전고체 배터리 구조 출처:삼성SDI

다음은 전고체 배터리 구조인데 전통적인 배터리에 있는 분리막은 없고 고체 전해질이 자리를 대신하고 있는 것을 볼 수 있습니다. 여기서 조금 더 들어가자면 전고체 배터리는 크게 전해질에 따라 여러 종류로 다시 나눌 수 있습니다.

 

전고체 배터리를 연구하는 이유

그런데 전통적인 리튬이온 배터리도 있는데, 왜 차세대 기술로 전고체를 연구하고 있는 걸까요? 결론부터 말하자면, 전기차용 배터리 용량을 높여야 하기 때문입니다.

• 전기차용 배터리의 용량이 늘어나야 하는 첫 번째 이유는 바로 주행거리입니다. 현재 운행 중인 전기차 주행거리는 내연 기관차의 600~700km를 따라가기 약간 힘든 상황입니다. 전기차의 주행 거리를 늘리는 방법은 예나 지금이나 배터리의 용량을 확대하는 방법밖에 없습니다.
• 전기차용 배터리 용량이 늘려야 하는 두 번째 이유는 바로 4차 산업혁명의 '킬러 어플리케이션'이라고 할 수 있는 자율주행 때문입니다. 왜 그런지 살펴보기 전에 자율주행이 전기차 기반으로 될 수밖에 없는 이유를 알아야 합니다. 우선 전기차는 내연 기관차보다 에너지 효율성이 좋고 들어가는 부품도 적어 공간 활용도가 높아 자율주행에 적합합니다. 그리고 자율주행을 위한 자동차의 뇌를 움직이게 하는 열쇠도 쥐고 있습니다.

자율주행은 실시간으로 정보를 주고받고 명령을 내려야 하기 때문에 차량 내 전력 사용량이 급증하게 되는데 현재의 내연 기관차로는 감당할 수 있는 수준이 아닙니다. 자율주행으로 갈 경우 차량 내 데이터 사용 급증이 발생하고 이럴 경우 전기차용 배터리 용량의 증대는 필수인 거죠. 자율주행 소프트웨어를 제작하는 회사들에 따르면 자율주행차가 하루 동안 사용한 데이터의 양이 11TB라고 합니다. 참고로 삼성전자의 축구장 네 개 크기 반도체 공장에서 하루 45TB에 대해 데이터가 발생한다고 하니 자율 주행차의 데이터 사용 규모에 대해 감이 딱 오시나요. 데이터 처리가 많아질수록 전력 소비가 많아지는 것은 당연한 일입니다.

전고체 배터리 출처:삼성SDI

 

전고체 배터리가 해결해 줄 수 있을까요?

그럼 전기차를 위해 어떻게 배터리 용량을 높일 수 있을지 알아보겠습니다. 전기차의 용량을 높이기 위해서는 두 가지 방법이 있습니다. 가장 쉬운 방법이 배터리 개수를 늘리는 겁니다. 하지만 전기차용 배터리의 원가가 올라가고 공간도 한정되어 있기 때문에 이 방법은 실현 가능성이 작습니다. 결국 배터리의 발전 방향이 그러했듯이 에너지 밀도를 높이면 됩니다. 지금까지 전기차가 주행거리를 지속해서 늘려오면서도 소비자가 만족할 수 있는 가격대를 향해 꾸준히 움직이고 있는 것은 배터리를 저가로 만들었기 때문이 아니라 전기차용 배터리의 에너지 밀도가 상승했기 때문입니다. 이는 배터리의 역사를 살펴봐도 쉽게 알 수 있습니다. 한 세기 동안 배터리의 발전 방향을 보면 에너지 밀도의 증대라는 하나의 목표를 향해 기술 발전이 진행되었다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.

리튬이온 배터리와 전고체 배터리 비교 출처:삼성SDI

 

전고체 배터리의 에너지 밀도는 기존 방식보다 두 배가량 높으니까요?

전고체 배터리는 왜 에너지 밀도가 높을까요? 해답은 간단합니다. 폭발 위험성이 사라져서 그와 관련된 부품들이 사라지고 자리에 활물질이 더 채워지기 때문에 에너지 밀도가 높아질 수밖에 없습니다. 게다가 전통적인 리튬이온 배터리의 액체 전해질은 온도 변화에 따라 배터리의 팽창을 유발해 외부 충격에 의해 폭발하는 사고가 발생할 수 있지만 고체 전해질은 온도 변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험이 없기 때문에 열과 압력 등 극한 외부 조건에서도 정상적으로 작동이 가능합니다. 그림을 보면 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 전고체가 전통적인 리튬이온 배터리보다 공간 활용도가 높습니다. 이유는 전해질이 고체로 되어 있기 때문에 분리막이 사라지기 때문이죠. 양극 음극이 접촉할 가능성이 없는 만큼 발화와 폭발 위험성이 줄어들어 기존의 배터리의 안전을 책임졌던 냉각, BMS 관련 부품들이 대폭 축소될 수 있기 때문입니다. 전고체로 모듈, 팩 등 시스템을 만들면 배터리에 들어가는 부품의 수가 줄어드는 만큼 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어 용량을 늘려야 하는 전기차용 배터리에 최적입니다.

전고체 배터리 더 보기

 

요약하면 전통적인 리튬이온 배터리와 전고체의 단적인 차이는 다운사이징!

이런 장점 때문에 일본과 중국, 미국, 유럽 등 각종 자동차 배터리 회사들이 전고체 배터리 개발에 뛰어들고 있죠. 배터리 종합 솔루션을 갖춘 우리나라 기업들도 함께합니다. 이제 전고체가 왜 필요한지 아셨나요? 맞아요. 전기차가 더 멀리 자율주행하면서 안전하게 다니기 위해 전고체가 있어야 하는 거죠. 아직 전고체가 세상에 나오려면 해결해야 할 과제들이 많지만 기술 혁신이 그런 문제들을 하나둘 해결해 줄 수 있을 거라 생각해요. 기대되시죠. 이상 전고체 배터리 이야기였습니다.

 

 

 

 

 

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