[비철금속세미나]'차세대' 전고체전지 상용화 연구 활발

'차세대 전지'로 불리는 전고체전지 연구개발이 활발히 진행되고 있는 가운데 오는 2030년에는 전고체전지가 리튬이온전지를 제치고 대세를 이룰 것이라는 전망이 나왔다. 

한국전자기술연구원 조우석 책임연구원은 22일 열린 2021년도 상반기 비철금속 세미나에서 ‘전고체전지 개발 이슈 및 현황’이라는 주제로 강연을 펼쳤다.

이날 강연에서 조 책임연구원은 전고체전지 기술적 이슈 상용화를 위한 연구에 대해 설명했으며 향후 전고체전지에 대한 수요는 늘어나는 반면 리튬이온전지 시장은 점점 축소될 것이라고 전망했다.

최근 전기자동차로의 전환이 이뤄지면서 한 번 충전으로 더 먼 거리를 갈 수 있고 충전시간도 짧은 배터리에 대한 요구가 확산되고 있다. 배터리 크기도 한정되어 있는 가운데 주행거리를 늘리고 고출력이 가능하게 하려면 안전성 문제가 발생하게 되는데 이로 인해 리튬이온전지(LIB)를 대체하기 위한 움직임이 나타나고 있다.

LIB는 쉽게 타는 성질이 있어 화재 위험이 높은데 실제로 핸드폰 갤럭시 노트7 배터리와 현대자동차의 EV 코나 화재 발생 등의 사례가 있다. 결국 현대차는 코나EV 배터리 전량 리콜을 실시하면서 1조원을 투입하기도 했다.

이처럼 탑승자 안전 확보 및 기업 리스크 방지를 위한 배터리 기술이 필요하게 됐으며 전고체전지를 통해 LIB를 대체하기 위한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다.

조 책임연구원은 “EV용 배터리에 요구되는 에너지 밀도는 계속 증가하고 있는데 LIB는 300~330Wh/kg이 한계”라며 “결국 전고체전지로 가야하는데 최근 상용화가 적용 가능한 수준의 고체전해질 소재들이 보고되고 있다”고 설명했다.

2020년 이후로 전고체전지가 등장했으며 2030년경에는 대세가 될 것으로 전망된다. 2030년에는 전고체전지 에너지밀도는 500Wh/kg까지 확대될 것으로 예상된다.

고체전해질 요구사항으로는 높은 이온 전도도, 넓은 전위창, 높은 열적 안정성, 높은 전기화학적 안정성, 높은 화학적 안정성, 공정에 적합한 물성 등이 있다. 고체전해질 종류로는 산화물계와 황화물계로 나눌 수 있는데 업계 개발 방향은 황화물계 전고체전지에 집중하고 있다.

조 책임연구원은 “일본의 도요타자동차를 필두로 국내에서는 현대차, 삼성 등이 전고체전지 개발에 나서고 있다”며 “황화물 고체전해질 기반의 고에너지 밀도가 가능한 나노 고체전해질 침투기술이 필요하다”고 설명했다.

실제로 삼성전자 종합기술원은 차세대 전고체전기 혁신기술을 공개하기도 했다. 석출형 리튬 음극 기술을 세계 최초로 적용해 에너지 밀도를 향상시켜 기술적 진보 의미가 크다고 평가된다. 다만 생산기술 확보를 위해서는 소재 및 장비사와 보다 활발한 협력 개발이 필요한 상황이다.

전고체전기가 상용화되기 위해서는 기술적인 문제점을 극복해야 한다. 셀 구성 소재가 모두 고체로 셀 제조에 대한 기초 기술의 부재가 나타나고 있는데 양극층에서는 양극화물질/고체전해질 계면 접촉성이 유기전해액 대비 낮고 공간 전하층(Space Charge Layer)이 형성된다.

고체전해질(Solid Electrolyte)층에서는 고체전해질 및 시트화를 위한 바인더 소재의 부재와 시트화 시 내부 기공의 형성 제어 기술이 요구된다. 음극층에서는 리튬메탈 기술 부족 문제가 나타나고 있으며 고체전해질과의 낮은 접촉성도 문제점이다.

황화수소 가스의 발생으로 인한 문제점도 있으며 원료 가격이 높은 수준을 보이고 있다는 점도 기술 개발에 걸림돌로 작용하고 있다. 실제 원료인 황화리튬은 ㎏당 1만2,000달러 수준이어서 저가화가 필요하다. 또한 구리 집전체 사용도 어렵다. 황화수소와 황화물 고체전해질과의 반응으로 인한 구리 부식이 추정되고 있어 대체 금속 호일이나 구리 집전체를 카본이나 니켈도금으로 표면 코팅하는 방안도 고려되고 있다. 아울러 전고체에 균열이 발생하면서 수명이 저하된다는 점도 문제점으로 지적되고 있다.

조 책임연구원은 “이러한 문제점이 해결이 돼야 전고체전지 활성화가 빠르게 이뤄질 것”이라며 한국전자기술연구원에서도 고체전해질의 소재 연구와 합성 공정 연구, 극판 제조 기술, 셀 제조 기술, 분석 기술 들을 통해 이러한 문제점을 해결하는 데 일조하고 있다“고 말했다.