전고체 배터리
지금은 친환경 시대로 달려가고 있다. 2050 탄소중립을 위해 전기차의 보급이 확연히 많아진 지금 안전성의 문제가 두각되고 있다. 그 이유는 바로 배터리 때문이다. 기존의 전기차 배터리는 리튬이온전지를 사용하는데 리튬이온전지는 내부의 전해액이 휘발유 이상의 인화성을 가진 고인화성 물질로 발화하게 되면 내부물질이 분해되며 산소가 방출되어 큰화재로 이어진다. 실제로 우리나라에서도 요금소에 충격 후 3초만에 화재가 나 800도까지 온도가 올라가는 열폭주 현상이 일어나 매우 큰화재가 났었다. 미국의 경우 테슬라차량의 화재로 소방호스로는 화재 진압이 안되어 땅에 구덩이를 파고 물을 채워 테슬라 배터리를 침수시켜 끄는 방법을 사용했는데 불을 끄는데 17000리터의 물이 사용되었다고 한다. 이는 건물 한 채를 진화하는 양이다. 이러한 문제를 고치기위해선 전고체 배터리를 개발해야 한다는 목소리가 나온다. 전고체 배터리는 1980년대 처음 개념이 등장했으나 전해질을 사용한 배터리가 나오며 그 목소리는 점차 줄어들었다. 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성된다. 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체인 상태의 배터리를 말한다. 지금 사용되는 리튬이온 배터리를 보면 양극과 음극사이 분리막이 위치했는데 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 들어가 고체 전해질이 분리막 역할까지 대신 하는 것이다. 기존의 리튬이온 배터리는 사용함에 있어 위와 같이 안전성 문제가 있는데 액체 전해질을 사용하는 만큼 온도나 충격에 누액이나 배터리 손상에 취약하다. 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며 전해질이 훼손 되더라도 형태를 유지하기에 보다 높은 안전성을 보인다.
전고체 배터리 왜 개발해야 하는가?
우리는 언제나 스마트폰을 사용한다. 잠에서 깬 상태부터 사용하기 시작한다. 하지만 하루종일 사용하다 보면 스마트폰 배터리는 어느순간 우리를 불안하게 만드는 수준까지 배터리가 닳아있다. 허나 전고체 배터리는 기존의 리튬이온배터리보다 많은 용량의 전기를 담을 수 있어 미래에는 일주일에 한번 충전해도 되는 수준까지 올지도 모른다.
또한 위 문단에서 말한것과 같이 안전성 문제도 있겠지만 전기차용 배터리 용량을 높이기 위해서다. 현재 전기차 배터리의 용량은 무게 대비 효율적이라고 말하긴 어렵다. 최근 나온 제네시스 G80의 경우 엔진과 미션과 같은 무거운 것들이 따졌음에도 가솔린 모델과 비교했을 때 300Kg정도 무겁다고 한다. 이는 성인 남성 5명을 태우고 운행하는 수준인데 에너지 소모에도 큰 영향을 미친다. 배터리의 용량을 늘리는 방법은 두가지이다. 첫째는 배터리의 개수를 늘리는 것이다. 허나 차량하부에 부착 할 수 있는 배터리 용량은 한정적이여서 현실적으로 어렵다. 둘째는 전고체 배터리이다. 전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라져 안전성 관련 부품이 줄고 그 부분을 배터리 용량을 늘리는 물질로 채웠기 때문이다. 우리나라 같은 경우 삼성SDI가 전고체배터리 기술 개발에 박차를 하고있으며 삼성SDI와 협력하여 전고체 배터리를 개발하고 있는 삼성 종합기술원은 1회 충전으로 800Km, 1000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구 결과를 공개했다. 미국의 경우 솔리드파워라는 벤처기업이 전고체 배터리의 시제품을 BMW와 포드에 공급하기로 하였다. 이 회사는 우리나라 기업인 SK온이 약376억원을 투자해 전고체 배터리를 공동 개발하고 있는 회사이다. 또한 LG에너지솔루션 같은 경우 최근 전고체 배터리 상용화 로드맵을 공개 했는데 업계에선 유일하게 고분자계,황화물계 전고체 배터리를 모두 개발하고 있다.
전고체 배터리의 부정적이게 바라보는 시점
전고체 배터리는 이제 시작하는 단계인 만큼 부정적이게 바라보는 시점도 많다. 리튬이온배터리의 핵심은 리튬이온 이동경로를 충분히 확보할 기술 개발이 필요하다. 전고체 배터리는 안에 캐소드 양극제와 고체 전해질, 리튬 음극이 잘 섞여져야 정상 작동을 하게된다. 양극입자 하나하나가 전해질과 접촉되기 위해서는 액체가 아니기 때문에 정밀한 컨트롤이 필요하게 되는데 대량생산하기엔 원가 상승으로 힘들다는 의견이다. 또한 고체이기 때문에 배터리 내부의 빈 공간이 액체보다 많이 생기게 되고 그 결과 리튬이온의 이동경로를 충분히 확보하기 힘들다. 이것을 위해선 ALD(Atomic layer Deposition)이라는 반도체 기술에 사용되는 정밀 적층 코팅 기술이 필요하다. 액체 전해질 같은 경우 킬로당 10달러정도의 시장가격을 형성하는데 고체 황화물로 만든 고체 전해질 1Kg은 실험실에서만 천만원 이상의 비용이 든다. 이렇게 되면 배터리 가격 상승을 야기할 수 밖에 없는 것이다. 또한 가장 유력한 고체 전해질인 황화물계 고체전해질은 제조 과정에서 대기에 누출되면 안되며 같이 발생되는 황화수소는 매우 유독한 가연성 기체로 인체에 매우 해롭다고 한다. 하지만 매우 많은 기업들이 전고체 배터리에 목말라 하는 이유는 판도를 바꿀만한 배터리이기 때문이다. 소니는 1991년 리튬이온 배터리를 개발하고 오랬동안 업계를 지배했었다. 이번 전고체 배터리도 개발하여 상용화가 될 수 있다면 모든 배터리 사업 판도를 바꿀만한 발견일 것이다. 현재 우리나라는 삼성SDI LG에너지솔루션등이 상용화에 박차를 가하고 있다. 처음부터 큰 배터리를 만들기엔 무리가 있을 것이다. 일단 소형부터 시작해 점차 그 범위를 늘릴 필요가 있겠다.
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