통권 제390호 전고체 배터리, 어디까지 알고 있니?
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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 1,574회 작성일 23-10-31 09:49본문
[세계는 지금] 삼성, 도요타 같은 대기업과 자동차 제조업체들이 전고체 배터리에 사활을 거는 이유
스마트폰 안의 작은 리튬 이온 배터리
손에 들고 있는 스마트폰, 넷플릭스 볼 때 안성맞춤인 태블릿, 일할 때 이용하는 노트북, 손목에 차고 있는 스마트 워치까지 모두 단 한 가지 공통점이 있다. 바로 ‘배터리’를 가지고 있는 제품들이라는 점이다. 특히 리튬 이온 충전식 배터리는 한 번에 최소 몇 시간에서 최대 며칠 동안 사용할 수 있는 배터리로 이를 통해서 수십 년 전에 우주 개발에 이용되던 컴퓨터보다 수백만 배나 더 좋은 성능의 컴퓨터를 직접 들고 다닐 수 있게 해준다.
1991년 일본 기업인 소니와 아사히 카세이가 처음 상용화한 이 기술은 순식간에 전 세계를 완전히 바꾸어 놓았다. 그만큼 리튬 이온 배터리는 에너지를 저장하는 매우 효율적인 방법 중에 하나로 에너지 밀도가 높아 작은 공간에 많은 에너지를 저장할 수 있는 장점이 있다. 또한 수명이 길고 여러 번 충전할 수 있다는 장점이 있다.
전지의 시작, 그리고 전고체 배터리
이런 리튬 이온 배터리만 해도 충분히 좋다고 느껴지지만 더 좋은 차세대 배터리가 개발 중에 있다. 이름하여 전고체 배터리(solid-state battery)이다. 생소할 수도 있는 용어지만, 최근 뉴스에서도 자주 언급되는 배터리 중 꿈의 배터리라고 불리는 차세대 배터리이다.
1800년, 이탈리아 알렉산드로 볼타가 전지를 처음 만든 이후 현재까지의 모든 전지는 양극과 음극이란 고체상태 물질이 있고, 그 가운데에 전해액이라는 액체가 있다. 그리고 이온이 이동하며 에너지를 낸다. 전고체 배터리는 전해액과 분리막을 없애고 이온을 전도할 수 있는 고체 상태 물질, 즉 고체 전해질로 채우는 전지이다. 따라서 전고체 배터리를 간단히 설명하면 액체 전해질 대신 고체 전해질을 쓰는 배터리 정도로 요약할 수 있으며, 리튬 이온 배터리에서는 고체에서 액체 그리고 다시 고체로 이동하는 이온이 전고체 배터리에서는 고체상태에서만 이온 이동이 일어난다.
고전압 고밀도 고용량의 안전한 배터리가 가능하다
너무 단가가 비싸서 상용화가 어려울 것이라는 편견마저 깨고 대중 앞에 서서히 등장하고 있는 전고체 배터리의 가장 큰 장점은 무엇보다도 안전성이라고 할 수 있다. 기존 리튬 이온 배터리는 전해액이 가연성 물질로 채워지기에 불이 나면 진화가 상당히 어렵다. 하지만 전고체 배터리의 소개는 상당히 안정적이기에 화재 위험으로부터 훨씬 안전하다고 평가된다.
리튬 이온 배터리와 전고체 배터리 비교 © 삼성 SDI
기존의 액체 전해질 리튬 배터리로 자동차 크기의 기기에 전력을 공급하려면 크기가 상당해야 한다. 이 때문에 안전 문제가 대두되고 있으며 온도 변화로 인해 부풀어 오르거나 너무 세게 누르면 누출될 위험도 있다. 또한 내부 액체는 가연성이 있기에, 전고체 배터리의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
무엇보다 배터리는 배터리의 역할을 해야 한다. 안전성만 추구한다고 꿈의 배터리가 될 수는 없는 법, 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해서 에너지 밀도가 높아서 같은 크기여도 저장할 수 있는 용량이 커질 수 있다. 특히, 전해질에 액체가 없어서 초박막을 만들 수 있으며 양극이나 음극을 여러 겹 쌓아서 고전압 배터리를 만들 수 있음에 얇은 두께에도 더 많은 용량을 저장할 수 있다는 장점이 있다 . 이에 자유자재로 휠 수 있는 플렉서블 배터리를 구현할 수 있는 최적의 조건을 갖춘 배터리로 평가된다.
삼성 SDI는 IAA에서 수년전부터 차세대 배터리 개발 상황을 전 세계에 알리고 있다. © 삼성 SDI
휴대전화의 리튬 이온 배터리 등은 기본적으로 하루 정도 버틴다고 알려져 있다. 또한 충전 속도가 느리고 수명이 제한적이다. 따라서 리튬 이온 배터리는 전기 자동차를 비롯한 여러 가지 응용 제품 등에는 적합하지 않다고 할 수 있다. 전고체 배터리는 이 문제들을 해결할 수 있다. 전고체 배터리가 자동차에 상용화되면 더 이상 전기 자동차 충전을 위해 4~5시간씩 기다릴 필요가 없다.
이외에도 리튬, 인, 황, 그리고 염소 원소 등의 높은 전해질 가격 때문에 가격 경쟁력이 없다는 우려가 있지만, 산업계에서 이를 대량 생산할 예정이기에 가격 문제도 차차 해소될 예정이다.
전 세계적으로 상용화가 시작 될 전망
지난주 뮌헨에서 세계 최대 규모의 독일 연례 모터쇼인 IAA 모터쇼가 개막하며 많은 전기차와 배터리가 등장했는데, 이곳에서도 더 작지만, 더 오래 지속되고, 더 빠르게 충전되며, 더 많은 전력을 담을 수 있는 전고체 배터리가 큰 화제를 낳았다. 실제로 지난 몇 달 동안 삼성, 도요타, 포드, 혼다와 같은 대기업과 거대 자동차 제조업체에서는 배터리 분야의 획기적인 발전을 발표하며 미래 계획을 선보이고 있다. 일부 기업들에 따르면 이르면 2024년부터 전고체배터리의 대량 생산이 시작할 예정이라고 한다.
BMW가 전기 자동차를 위한 혁신적인 배터리를 선보이기 시작했다. 전고체 배터리는 과연 전기 자동차의 게임체인저가 될 수 있을까? © BMW
아직 셀을 자유자재로 혹은 크게 만드는 기술은 개발되지 않았지만, 삼성SDI와 도요타 역시 최근 2027년 전고체 배터리 양산을 발표했다. 국내에서는 삼성SDI, LG에너지솔루션, 해외에서는 일본 파나소닉, 도요타, 중국 CATL 등이 전고체 배터리를 개발 중이며 독일의 자동차 회사 BMW 역시 전고체 전지 양산 시점을 2026년이라고 선언한 바 있다.
무엇보다 환경친화적이다
충전식 배터리는 전기 자동차에 전력을 공급함으로써 기후 변화에 맞서 싸우는 데 중요한 역할을 하고 있다. 특히, 캐나다, 영국, EU, 중국, 인도 등 점점 더 많은 국가에서 화석 연료로 구동되는 새로운 차량의 판매 금지를 계획하고 있는 현재 배터리는 환경을 생각하는 좋은 옵션이 될 수 있다. 특히, 노르웨이와 같은 일부 지역에서는 이르면 2030년부터 화석연료 자동차들의 판매 금지가 시작된다.
사이언스 타임즈 기획칼럼 2023.09.07 09:00 김민재 리포터
스마트폰 안의 작은 리튬 이온 배터리
손에 들고 있는 스마트폰, 넷플릭스 볼 때 안성맞춤인 태블릿, 일할 때 이용하는 노트북, 손목에 차고 있는 스마트 워치까지 모두 단 한 가지 공통점이 있다. 바로 ‘배터리’를 가지고 있는 제품들이라는 점이다. 특히 리튬 이온 충전식 배터리는 한 번에 최소 몇 시간에서 최대 며칠 동안 사용할 수 있는 배터리로 이를 통해서 수십 년 전에 우주 개발에 이용되던 컴퓨터보다 수백만 배나 더 좋은 성능의 컴퓨터를 직접 들고 다닐 수 있게 해준다.
1991년 일본 기업인 소니와 아사히 카세이가 처음 상용화한 이 기술은 순식간에 전 세계를 완전히 바꾸어 놓았다. 그만큼 리튬 이온 배터리는 에너지를 저장하는 매우 효율적인 방법 중에 하나로 에너지 밀도가 높아 작은 공간에 많은 에너지를 저장할 수 있는 장점이 있다. 또한 수명이 길고 여러 번 충전할 수 있다는 장점이 있다.
전지의 시작, 그리고 전고체 배터리
이런 리튬 이온 배터리만 해도 충분히 좋다고 느껴지지만 더 좋은 차세대 배터리가 개발 중에 있다. 이름하여 전고체 배터리(solid-state battery)이다. 생소할 수도 있는 용어지만, 최근 뉴스에서도 자주 언급되는 배터리 중 꿈의 배터리라고 불리는 차세대 배터리이다.
1800년, 이탈리아 알렉산드로 볼타가 전지를 처음 만든 이후 현재까지의 모든 전지는 양극과 음극이란 고체상태 물질이 있고, 그 가운데에 전해액이라는 액체가 있다. 그리고 이온이 이동하며 에너지를 낸다. 전고체 배터리는 전해액과 분리막을 없애고 이온을 전도할 수 있는 고체 상태 물질, 즉 고체 전해질로 채우는 전지이다. 따라서 전고체 배터리를 간단히 설명하면 액체 전해질 대신 고체 전해질을 쓰는 배터리 정도로 요약할 수 있으며, 리튬 이온 배터리에서는 고체에서 액체 그리고 다시 고체로 이동하는 이온이 전고체 배터리에서는 고체상태에서만 이온 이동이 일어난다.
고전압 고밀도 고용량의 안전한 배터리가 가능하다
너무 단가가 비싸서 상용화가 어려울 것이라는 편견마저 깨고 대중 앞에 서서히 등장하고 있는 전고체 배터리의 가장 큰 장점은 무엇보다도 안전성이라고 할 수 있다. 기존 리튬 이온 배터리는 전해액이 가연성 물질로 채워지기에 불이 나면 진화가 상당히 어렵다. 하지만 전고체 배터리의 소개는 상당히 안정적이기에 화재 위험으로부터 훨씬 안전하다고 평가된다.
리튬 이온 배터리와 전고체 배터리 비교 © 삼성 SDI
기존의 액체 전해질 리튬 배터리로 자동차 크기의 기기에 전력을 공급하려면 크기가 상당해야 한다. 이 때문에 안전 문제가 대두되고 있으며 온도 변화로 인해 부풀어 오르거나 너무 세게 누르면 누출될 위험도 있다. 또한 내부 액체는 가연성이 있기에, 전고체 배터리의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
무엇보다 배터리는 배터리의 역할을 해야 한다. 안전성만 추구한다고 꿈의 배터리가 될 수는 없는 법, 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해서 에너지 밀도가 높아서 같은 크기여도 저장할 수 있는 용량이 커질 수 있다. 특히, 전해질에 액체가 없어서 초박막을 만들 수 있으며 양극이나 음극을 여러 겹 쌓아서 고전압 배터리를 만들 수 있음에 얇은 두께에도 더 많은 용량을 저장할 수 있다는 장점이 있다 . 이에 자유자재로 휠 수 있는 플렉서블 배터리를 구현할 수 있는 최적의 조건을 갖춘 배터리로 평가된다.
삼성 SDI는 IAA에서 수년전부터 차세대 배터리 개발 상황을 전 세계에 알리고 있다. © 삼성 SDI
휴대전화의 리튬 이온 배터리 등은 기본적으로 하루 정도 버틴다고 알려져 있다. 또한 충전 속도가 느리고 수명이 제한적이다. 따라서 리튬 이온 배터리는 전기 자동차를 비롯한 여러 가지 응용 제품 등에는 적합하지 않다고 할 수 있다. 전고체 배터리는 이 문제들을 해결할 수 있다. 전고체 배터리가 자동차에 상용화되면 더 이상 전기 자동차 충전을 위해 4~5시간씩 기다릴 필요가 없다.
이외에도 리튬, 인, 황, 그리고 염소 원소 등의 높은 전해질 가격 때문에 가격 경쟁력이 없다는 우려가 있지만, 산업계에서 이를 대량 생산할 예정이기에 가격 문제도 차차 해소될 예정이다.
전 세계적으로 상용화가 시작 될 전망
지난주 뮌헨에서 세계 최대 규모의 독일 연례 모터쇼인 IAA 모터쇼가 개막하며 많은 전기차와 배터리가 등장했는데, 이곳에서도 더 작지만, 더 오래 지속되고, 더 빠르게 충전되며, 더 많은 전력을 담을 수 있는 전고체 배터리가 큰 화제를 낳았다. 실제로 지난 몇 달 동안 삼성, 도요타, 포드, 혼다와 같은 대기업과 거대 자동차 제조업체에서는 배터리 분야의 획기적인 발전을 발표하며 미래 계획을 선보이고 있다. 일부 기업들에 따르면 이르면 2024년부터 전고체배터리의 대량 생산이 시작할 예정이라고 한다.
BMW가 전기 자동차를 위한 혁신적인 배터리를 선보이기 시작했다. 전고체 배터리는 과연 전기 자동차의 게임체인저가 될 수 있을까? © BMW
아직 셀을 자유자재로 혹은 크게 만드는 기술은 개발되지 않았지만, 삼성SDI와 도요타 역시 최근 2027년 전고체 배터리 양산을 발표했다. 국내에서는 삼성SDI, LG에너지솔루션, 해외에서는 일본 파나소닉, 도요타, 중국 CATL 등이 전고체 배터리를 개발 중이며 독일의 자동차 회사 BMW 역시 전고체 전지 양산 시점을 2026년이라고 선언한 바 있다.
무엇보다 환경친화적이다
충전식 배터리는 전기 자동차에 전력을 공급함으로써 기후 변화에 맞서 싸우는 데 중요한 역할을 하고 있다. 특히, 캐나다, 영국, EU, 중국, 인도 등 점점 더 많은 국가에서 화석 연료로 구동되는 새로운 차량의 판매 금지를 계획하고 있는 현재 배터리는 환경을 생각하는 좋은 옵션이 될 수 있다. 특히, 노르웨이와 같은 일부 지역에서는 이르면 2030년부터 화석연료 자동차들의 판매 금지가 시작된다.
사이언스 타임즈 기획칼럼 2023.09.07 09:00 김민재 리포터
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