[2차전지] 전고체 전지와 리튬 이온 전지 차이

전고체전지(Solid-state battery)

 

 안녕하세요. 주식투자 블로거 코우헤이입니다. 오늘은, 최근 주목받고 있는 전고체 전지와 관련해서 기존 리튬 이온 배터리와 어떠한 차이점이 있고 왜 주목을 받고 있는지에 대해서 말하고자 합니다. 

 

(1) 차세대 전지로 주목받고 있는 전고체 전지( Solid-state battery, SSB )

 

 미래에 전기 자동차가 널리 보급되기 위해서는, 높은 용량과 안전성, 수명이 충분한 전지의 개발이 필수적이라고 할 수 있습니다. 금속 공기 전지, 마그네슘 이온 전지 등 여러 차세대 전지 중에서, 기존 액체 전해질을 고체화한 전고체 전지( Solid-state battery, SSB)의 실용화가 가장 가까워지고 있는데요. 현재, 널리 쓰이고 있는 배터리인 리튬 이온 배터리(Lithium-ion battery, LIB)는, 이온화 경향이 가장 크면서도 가벼운 금속인 리튬을 음극재료로 사용해서, 높은 전압과 가벼운 배터리를 실용화할 수 있었습니다. 그러나, LIB의 전지 성능을 최대한으로 발휘하기 위해서는 전해질로 유기용매를 사용해야만 했고, 그로 인해 3.5~3.7V의 높은 전압을 실현할 수 있었습니다. 그러나, 유기용매는 가연성의 액체이기 때문에, 발화의 위험성이 있다는 치명적인 단점이 있습니다. 에너지 밀도와 안전성은 서로 상관관계가 있기 때문에, 전기차용 LIB에서는, 안전성 확보를 위해 에너지 밀도를 절반에서 3분의 1로 억제하고 있습니다. 또한, 현재, 사용되고 있는 액체 유기 용매는, 양극 표면에서 양이온 혹은 용매 분자의 분해라는 불필요한 부반응이 일어날 가능성이 있습니다. 이로 인해, 전극 자체가 퇴화되어, LIB의 수명을 줄이게 됩니다. 이와 같은 불필요한 반응을 억제하고자, 전해액을 고체 전해질로 바꾸고자 하는 움직임이 시작되었습니다. 전고체 전지는 말 그대로, 양극, 음극, 전해질과 같은 전지의 구성요소를 모두 고체로 바꾼 전지를 말합니다. 다시 말해, 기존 LIB의 액체 전해질을 고체 전해질로 바꾼 전고체 LIB가, 곧 전고체 전지라고 할 수 있습니다. 

 

 

(2) 전고체 전지(SSB) 장점 및 과제

 

 전고체 전지의 장점은, 첫 번째, 고체 전해질은 비가연성이기 때문에, 안전성이 높습니다. 두 번째, 전해질을 이동하는 것은 리튬이온으로 한정되기 때문에, 기존 LIB와 같이, 양극 표면에서 음이온과 용매 분자의 부반응이 일어나기 어려워져, 높은 수명을 기대할 수 있습니다. 세번째, 액체 전해질의 경우, 이용 가능한 온도 범위가 최대 온도 약 70℃로 좁은 반면, 고체전해질의 사용 온도 범위는 -30℃에서 100℃로 비교적 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있습니다. 네번째, 전기차에 들어가는 기존 LIB는 셀을 1000개 가까이 연결해야만 했습니다. 이를 전고체 전지로 대체하면, 단순히 양극재료, 전해질, 음극재료를 적층 하면 되기 때문에, 체적 대비 중량을 비교했을 때 에너지 밀도가 높아집니다. 이렇듯, 기존 LIB를 전고체 전지로 대체하면, 높은 안전성, 긴 수명, 이용 가능 온도 범위의 확대, 고용량화를 기대할 수 있습니다.

 

 그러나, 전고체 전지의 상용화를 위해서는 반드시 해결해야 하는 과제가 있습니다. 우선, 실온에서, 기존 LIB에 사용되는 액체 전해질 수준의 높은 이온 전도율을 갖는 고체 전해질의 개발입니다. 액체와는 달리 유동성이 거의 없는 고체에서, 리튬이온을 빠른 속도로 이동시키는 것은 어렵기 때문입니다. 두 번째는, 전극과 고체 전해질과의 계면의 저항을 줄이는 것이라고 할 수 있습니다. 높은 이온 전도율의 고체 전해질의 개발에 성공했어도, 전극과 고체 전해질 간의 계면 저항을 줄이지 못하면, 에너지 밀도 효율이 떨어지기 때문입니다.