모두가 주목하는 차세대 배터리, 전고체 배터리
미래 전기차의 표준이 될 전고체 배터리의 모든 것
작년부터 지금까지 전기차 배터리 업계에서 가장 주목받는 배터리가 있다면 바로 전고체 배터리라고 할 수 있겠습니다. 미래 배터리, 꿈의 배터리라고 불리며 많은 배터리 회사들이 사활을 걸고 개발하고 있는 전고체 배터리인데요. 무엇이 특별하길래 꿈의 배터리라는 별명을 얻었으며, 많은 투자가 이루어지고 있음에도 왜 아직까지 상용화가 되지 못했을까요?
전고체 배터리란?
현재 상용화되어 전기차에 사용되는 배터리는 대부분 리튬이온 배터리입니다. 리튬이온 배터리는 쉽게 얘기하면 전해액이라는 액체에 흐르는 이온을 이용해 전기를 만들어내는 배터리인데요. 현재 가장 많이 쓰이는 배터리이긴 하지만 한계가 명확합니다. 우선 액체 상태라 불안정하기도 하고, 열에 약하다는 치명적인 약점이 있죠. 작년에 전기차 화재 사건이 꽤 많았던 것이 기억나실 겁니다.
전고체 배터리는 전해액 대신 고체 상태의 전해 물질을 사용하는 배터리입니다. 단순히 전해질을 고체로 바꾸는 것이지만, 현재 전해액을 사용하는 기존 배터리의 단점을 굉장히 많이 개선할 수 있는 차세대 배터리입니다. 2000년대부터 전고체 배터리의 개념은 등장했으며, 2010년 도요타 연구소에서 전고체 배터리가 만들어지며 많은 관심을 받기 시작했습니다.
전고체 배터리의 장점
전고체 배터리는 우선 굉장히 안전합니다. 고체 상태이다 보니 외부 충격에 조금 더 잘 견딥니다. 또한 리튬이온 배터리에서는 전해액에 누출되면 화재 위험이 생기는데 전고체 배터리에서는 이론적으로 인화성 물질이 없어 화재 위험도 거의 0%입니다. 더해서 전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 수명이 오래갑니다. 수명이 길다는 것은 재충전을 여러 번 할 수 있다는 것인데요. 리튬 이온 배터리는 충전할 때마다 내부에 부산물이 쌓여 수명을 갉아먹는데, 전고체 배터리에서는 부산물 문제를 해결할 수 있습니다.
게다가 전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 주행거리가 길다는 장점도 있습니다. 액체보다 고체가 밀도가 높기 때문에 에너지 효율이 좋고, 이를 이용해 같은 크기라도 주행거리를 늘릴 수 있습니다. 전기차의 단점이었던 짧은 주행거리를 극복할 수 있는 것이죠. 그리고 전고체 배터리는 충전 시간도 짧기 때문에, 짧게 충전해서 더 많은 거리를 주행할 수 있게 됩니다.
전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 부피가 작습니다. 애초에 배터리 자체도 크기가 작지만, 리튬이온 배터리에 필수적으로 들어가는 각종 안전장치들도 필요가 없기 때문에 전체적인 크기는 절반 정도가 된다고 합니다. 기존 전기차에서 배터리가 차지하는 부피와 무게가 꽤 크다는 것을 감안하면 굉장한 메리트가 생기게 됩니다. 또한 고체를 전해질로 사용하다 보니 형태를 마음대로 만들 수 있기도 합니다. 웨어러블 배터리도 개발될 수 있겠죠?
전고체 배터리의 단점은 없나?
전고체 배터리의 가장 큰 단점은 아직 전해질로 사용할 좋은 소재가 없다는 것입니다. 2010년부터 황화물을 사용해 소재를 개발하고 있지만 아직 액체에 비해 효율이 잘 나오지 않는 단계입니다. 이론적으로는 고체 상태일 때 액체 상태보다 에너지 효율(전도율)이 좋지만, 현실에서는 소재의 한계가 있는 것이죠. 이를 해결하기 위해 많은 기업들이 전고체 배터리 기술을 개발하고 있습니다.
하지만 만약 기술이 개발되더라도, 고체 전해질에 사용되는 소재가 비쌀 가능성이 큽니다. 내연기관차 수준으로 주행거리와 안전성이 확보되더라도 더 비싸면 상용화되기 힘들겠죠?
전고체 배터리 현황은?
현재 전고체 배터리 분야에서 가장 앞서 나간 국가는 일본입니다. 전 세계 관련 특허의 50% 이상을 갖고 있죠. 특히나 도요타를 유심히 봐야 합니다. 도요타는 올해 전고체 배터리가 탑재된 시험 차량을 공개할 계획을 갖고 있습니다. 다른 여러 업체들이 2020년대 중반을 전고체 배터리 양산 시작으로 목표하는 것에 비해 굉장히 빠른 속도입니다. 리튬이온 배터리는 중국과 우리나라가 앞서 나가고 있지만, 일본은 더 멀리 내다보고 전고체 배터리에 사활을 걸고 있죠.
우리나라 배터리 회사들도 전고체 배터리 연구를 진행하고 있는데요. 특히 삼성SDI가 전고체 배터리에 필요한 원천기술을 발표하기도 하는 등 미래를 내다보고 열심히 연구개발을 하고 있습니다. 우리나라뿐만 아니라 미국에도 전고체 배터리 스타트업들이 등장하며 앞으로 몇 년 안에 전고체 배터리를 상용화하기 위해 노력 중입니다.
전기차를 한 단계 더 업그레이드시켜줄 전고체 배터리 시장은 이미 치열한 경쟁 중입니다. 어떤 회사가 어떤 기술로 세계를 놀라게 할지 벌써부터 기대가 됩니다.
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