전고체 배터리
기술 혁신과 에너지 저장의 미래
[ 글을 시작하기 전에 ]
배터리가 향후 새로운 시대를 밝히는 물질이 될 것이라는 견해에는 이견이 없다.
전자기기를 이동하면서 활용하는 사람들이 늘어나게 되면서 배터리의 필요성이 매우 높아지고 있으며 이에 따라 새로운 배터리를 기대하는 수요 또한 증가하고 있다.
그런 변화의 물결을 좀 더 잘 알아보기 위해서 전고체 배터리가 무엇인지 어떤 활용성이 있는지 한 번 들여다 보고자 한다.
그럼 전고체 배터리는 어떤 기술이며 어떤 장점이 있는지 알아보도록 하자.
Ⅰ. 배터리의 역할과 중요성
첫째, 에너지 저장 및 공급, 배터리는 에너지를 저장하고 필요한 시점에 공급하는 역할을 한다.
이는 이동식 전자기기부터 대용량의 에너지 저장 시스템이 이르기까지 다양한 용도로 사용된다.
휴대폰, 노트북, 스마트 워치 같은 이동식 전자기기에서는 배터리를 통해 전기 에너지를 저장하여 이용할 수 있다.
둘째, 이동성과 휴대성, 배터리의 존재로 전기 에너지를 사용하는 장치들이 이동성과 휴대성을 갖게 된다.
셋째, 신재생 에너지 저장, 태양광, 풍력, 수력 등의 신재생 에너지 시스템에서는 발전한 에너지를 배터리에 저장하여 일정한 시간에 에너지를 공급하고 에너지의 효율적인 이용을 도모한다.
넷째, 비상 상황 대비, 배터리는 비상 상황에 대비하여 백업 전원을 제공하거나 비상 랜턴 등으로 활용될 수 있다.
다섯째, 전기 자동차 및 이동 수단, 배터리는 전기 자동차 및 기타 이동 수단의 핵심 요소로 사용된다.
여섯째, 공공 안전 및 보안, 배터리는 사회 구성원의 안전과 보안을 위한 다양한 분야에 사용된다.
Ⅱ. 기존 배터리 기술의 한계
첫째, 에너지 밀도 한계, 기존 배터리 기술은 에너지 밀도가 한정적이다.
둘째, 충전 시간과 수명에 단점이 있다. 반복적인 충전과 방전 사이클에 따라 배터리 수명이 감소할 수 있다.
셋째, 환경 친화성 문제, 리튬 등의 원료 사용과 함께 환경 친화성 문제를 야기할 수 있다.
넷째, 안전성과 화재 위험, 일부 기존 배터리 기술은 너무 빠르게 충전하거나 지나치게 높은 온도에 노출되는 경우 화재 및 안전 문제가 발생할 수 있다.
다섯째, 용량 손실의 문제, 기존 배터리 기술은 시간이 지남에 따라 배터리의 용량이 저하되는 경향이 있다.
여섯째, 비용 문제, 일부 기존 배터리 기술은 생산 및 재료 비용이 높아 기술의 보급이 제한될 수 있다.
Ⅲ. 전고체 배터리 개요
전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리와 달리 전해질이 액체가 아닌 고체인 배터리이다. 전해질이 고체인 특성으로 인해 안전성과 에너지 밀도를 향상할 수 있으며, 장기간의 안정적인 성능을 제공하는 것이 특징이다.
전해질의 고체화 : 액체에 비해서 화재의 위험성을 낮출 수 있다.
리튬 이동 경로 : 이온의 안정적인 이동으로 충전 및 방전 과정이 더욱 안정적이고 효율적으로 진행된다.
안전성 강화 : 고체 전해질로 인해 전기화학반응이 더 안정적으로 진행된다. 배터리의 과충전, 과방전, 고온 등에 대한 안전성이 강화된다.
높은 에너지 밀도 : 이동식 전자기기부터 전동차, 대용량 에너지 저장 시스템까지 다양한 분야에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
사이클링 성능 개선 : 고체 전해질의 안정성으로 인해 장기간에 걸친 반복적인 충전 및 방전 사이클에서도 성능 저하가 적고, 배터리의 수명이 연장되기 때문이다.
Ⅳ. 역사와 발전 과정
첫 번째 전고체 배터리 개발
1996년 : 도쿄 대학교의 개발팀이 전고체 리튬 이온 배터리를 처음 개발하였다. 이 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 안정성이 향상되었다.
2000년 : 전고체 배터리 기술은 더욱 발전하여, 안전성과 에너지 저장 성능이 지속적으로 개선되었다.
2008년 : 일본 산도쿠 대학교 연구팀이 전고체 리튬 이온 배터리를 상용화 수준까지 개발하여 양산에 성공하였다.
2010년 : 전고체 배터리의 상용화와 보급이 가속화되었다.
2020년 : 전고체 배터리 기술의 개발과 적용이 지속되며, 더욱 발전된 전고체 배터리 기술이 등장할 것으로 기대된다.
Ⅴ. 전고체 배터리의 도전과 기회
도전 : 고체 전해질의 이온 전도성 개선, 사이클링 안정성, 충전/방전 속도 등의 측면에서 개선이 필요하다.
배터리의 제조 과정이 여전히 비용이 높아 대규모 상업 생산에 도전을 제공한다. 경제적인 측면에서 비용을 감소시키는 기술적 개발이 중요하다.
기회 : 높은 에너지 밀도 - 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 높은 에너지 밀도를 제공한다.
이는 이동식 전자기기와 EV 등에서 더 높은 주행거리와 사용시간을 제공하는데 기회를 제공한다.
급속 충전에 더 적합한 기술을 제공한다. 대규모 에너지 저장 시스템과 지속 가능성 측면에서 기존보다 더 발전된 기술이 될 것이다.
Ⅵ. 전고체 배터리의 현재와 미래 전망
전고체 배터리 기술은 연구와 개발 단계에서 상용화 단계로 진행하고 있다. 기술적 도전과 비용 문제를 극복하려는 노력이 이루어지고 있으며, 이미 상용 제품들도 소량 출시되고 있다.
전고체 배터리는 높은 에너지 밀도, 빠른 충전 속도, 긴 수명 등의 장점을 가지고 있어서 이동식 전자기기부터 전기자동차와 대규모 에너지 저장 시스템까지 다양한 분야에서 적용가능성이 높다.
미래에는 전고체 배터리를 통해 더 높은 에너지 밀도와 더 빠른 충전 속도, 긴 수명을 제공할 것이다.
경제성과 생산 효율성이 개선되면서 대규모 상업 생산이 가능해질 것으로 예상된다.
이로 인해 가격 경쟁력이 강화되고, 더 많은 제조사들이 전고체 배터리를 도입할 수 있게 될 것이다.
전고체 배터리의 다양한 용도와 산업 분야에서의 적용이 더욱 확대될 것이다.
[ 글을 마치며 ]
전고체 배터리가 기존의 액체 배터리에 비해서 장점이 더 많다는 것을 알았지만 기술적인 한계로 인해서 상용화의 단계에 접어들지는 못했다.
또한 상용화된다고 하더라도 지금처럼 다양한 전자기기들을 이동하면서 사용할 것이라는 기대감이 존재하지 않았기 때문에 많은 자본이 투입되기 어려운 상황이었다.
하지만 스마트폰의 발명 이후 발전된 노트북, 태블릿, 이어폰, 시계, 로봇 청소기 등 다양한 사물들에 전기 배터리가 탑재되면서 발전된 성능의 배터리에 대한 수요는 증가하게 되었다.
이를 토대로 궁극적으로는 전기자동차의 사용성이 높아지게 되면서 배터리의 새로운 발전에 대한 기대감이 증폭되고 있다.
현재 한, 중, 일 삼국의 배터리 발전 경쟁을 고려해 보면 2027년에는 상용화된 전고체 배터리가 시장에 나오게 될 것으로 예상되고 있다.
이미 2023년이 지났고 2024년부터 3년 정도의 시간이라고 예견이 된다.
이 기간 동안에 분명 전고체 배터리는 비약적인 발전을 하게 될 것이고 새로운 이차 전지를 사용하는 시대가 도래하게 될 것이라고 생각이 든다.
이를 통해서 인류는 또 다른 새로운 기술 발전의 시대로 나아가게 될 것이라고 생각이 든다.
전고체 배터리에 대해서 좀 더 관심을 가지고 공부를 하고 고민을 해볼 수 있도록 해야겠다.
참고 도서 : 전고체 배터리 ( 배율 리서치 )
