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전고체 배터리가 뭐길래 글로벌 기술 경쟁 치열

2020년 07월호

전고체 배터리가 뭐길래 글로벌 기술 경쟁 치열

2020년 07월호

이재용·정의선 만남에 전고체 배터리에 관심↑
일본 도요타 기술개발 선두...업계 2025년 상용화 목표


| 이윤애 기자 yunyun@newspim.com


이재용 삼성전자 부회장과 정의선 현대차 수석부회장의 ‘파격적 만남’을 이끈 전고체 배터리에 대한 관심이 뜨겁다. 전고체 배터리(All-solid battery)는 모든 부분이 고체로 이뤄진 배터리를 뜻한다. 현재 사용 중인 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 있는 전해질이 액체로 이뤄져 있고 나머지 양극, 음극, 분리막, 양음극집전체 등은 고체로 이뤄져 있다. 이 중 전해질이 고체로 바뀌면서 모든 구성 물질이 고체화되는 것이다.
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전고체 배터리에 세계가 집중하는 이유

배터리업계의 과제는 작고 안전하면서 대용량의 배터리를 만들어 내는 것이다. 즉 용적당 에너지 생산량을 높이기 위한 밀도 향상이 과제다. 밀도를 높이려면 양극과 음극의 전압·전류량을 증대시켜야 한다. 문제는 리튬이온 배터리는 전압·전류량 상승 과정에서 가연성을 가진 전해액의 화재 발생 가능성이 높아지는 것. 특히 온도가 섭씨 70도 이상 높아지면 폭발할 위험이 있다. 에너지저장장치(ESS)·스마트폰·노트북 발화 사건은 이 때문이다.

하지만 전고체 배터리는 전해질이 고체로 바뀌면서 화재 위험이 낮아진다. 특히 리튬이온 배터리와 비교해 대용량 구현이 가능하고 안전성을 높인 것이 특징이다. 이런 장점 때문에 전기차 배터리로 주목을 받고 있다.

삼성SDI, ‘덴드라이트’ 극복 기술 개발

세계적으로 전고체 배터리 선점을 위한 연구개발 경쟁이 한창이다. 전고체 배터리 상용화까지 넘어야 할 난제를 푼 신기술을 삼성이 최근 세계 최초로 공개했다. 일반적으로 전고체 배터리에는 배터리 음극 소재로 ‘리튬금속(Li metal)’이 사용된다. 리튬금속은 전고체 배터리의 수명과 안전성을 낮추는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 문제를 해결해야 하는 기술적 난제가 있다. 덴드라이트는 배터리를 충전할 때 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이 음극 표면에 적체되며 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체를 뜻한다. 이 결정체가 배터리의 분리막을 훼손해 수명과 안전성이 낮아진다.

삼성전자는 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리 음극에 5㎛(100만분의 1m) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C Nanocomposite Layer)을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 세계 최초로 개발했다. 이 기술은 전고체 배터리의 안전성과 수명을 증가시키는 동시에 기존보다 배터리 음극 두께를 얇게 만들어 에너지 밀도를 높일 수 있게 한다. 이에 따라 크기도 리튬이온 배터리의 절반 수준으로 줄어든다. 배터리 1회 충전에 800㎞를 주행하고 1000회 이상 재충전이 가능해 전기차 주행거리를 획기적으로 늘릴 것으로 기대된다. 삼성전자는 이 기술을 지난 3월 세계적 학술지 ‘네이처 에너지’를 통해 공개했다. 삼성SDI 천안사업장을 방문한 정의선 부회장이 직접 황성우 삼성종합기술원 사장으로부터 전고체 배터리 기술에 관한 설명을 들은 것으로 알려졌다.
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(사진 왼쪽부터) 삼성전자 차세대 ‘전고체 배터리’ 혁신기술을 개발한 아이하라 유이치 Principal Engineer(교신저자), 이용건 Principal Researcher(1저자), 임동민 Master(교신저자). [사진=삼성전자]


신기술 개발 각축...2025년 상용화 목표

세계적 전고체 배터리 기술 경쟁의 선두에 일본의 도요타가 있다. 전고체 배터리 관련 특허 233개로 전체 특허의 50% 가까이를 확보하고 있다. 1조5000억엔(약 16조원)을 투자해 후지산 인근 연구소에서 200여 명의 연구원이 배터리 연구개발을 진행 중이며 2022년 상용화를 목표로 삼고 있다. 올해 7월 개막 예정이었지만 코로나19 전 세계 확산으로 미뤄진 도쿄올림픽에서 전고체 배터리를 탑재한 전기차 시제품을 공개할 계획을 밝혀 업계의 이목이 집중되기도 했다.

테슬라는 지난해 1월 전고체 배터리 개발 기업 맥스웰테크놀로지를 2억1800만달러(약 2700억원)에 인수했다. 중국 배터리 업체인 칭다오에너지디벨롭먼트는 2018년 장쑤성에 10억위안(약 1728억원)을 투자해 전고체 배터리 공장을 구축했다.

현대차도 도요타와 마찬가지로 전고체 배터리 자체 확보를 위한 시도를 한 바 있다. 지난 2018년 미국 전고체 배터리 전문 개발 스타트업(신생 벤처기업)인 아이오닉 머티리얼스(Ionic Materials)에 500만달러(약 54억원)를 투자했다. 머티리얼스는 매사추세츠에 본사를 두고 있는 배터리 전문 개발 업체로 고체 전해질 폴리머를 주로 개발하고 있다.

업계 안팎에서는 ‘꿈의 배터리’, ‘차세대 전기차 배터리’로 불리는 전고체 배터리의 상용화 시점을 오는 2025년으로 기대하고 있다
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