전고체 배터리

Solid-state battery.

2차전지의 일종으로 전해질을 액체가 아닌 고체를 사용하는 배터리다. 언론에서 종종 '꿈의 배터리'라고 엄청나게 띄워주는 모습을 보여주고 있지만 정말로 그렇게 될지는 의문점이 여러 가지 있다.

개요

2차전지의 주류를 이루고 있는 리튬이온 전지의 주요 구성요소는 양극, 음극, 전해질, 분리막이 있다. 전해질은 양극과 음극 사이 공간을 채우고 리튬이온이 양극을 자유롭게 오갈 수 있는 통로 역할을 한다. 이 때 전자는 전해질 안을 돌아다닐 수 없기 때문에 회로를 연결하면 전자는 음극을 타고 회로로 나가 양극으로 들어오게 되며, 이렇게 해서 배터리의 전기에너지를 사용할 수 있다. 반대로 충전을 할 때에는 전자가 회로를 타고 양극→음극으로 가서 충전이 이루어진다.

현재 전해질로 많이 쓰이는 소재는 리튬염을 넣은 유기용매, 즉 액체다. 액체는 전자의 이동성이 좋다는 장점이 있지만 여러 가지 단점이 있다. 가장 큰 문제는 안전성으로, 양극과 음극이 압력을 받거나 하면 붙어서 단락을 일으키고 화재나 폭발을 일으킬 수 있다. 이를 막기 위해 양극과 음극 사이에 분리막을 두어 격리하지만 분리막이 충격이나 리튬 덴드라이트 때문에 찢어지거나 열 때문에 녹아버리면 문제가 터진다.

전고체 배터리는 이 전해질로 액체 대신 고체를 사용하는 것이다. 고체를 사용하면 전해질 자체가 양극과 음극을 분리해 주므로 화재나 폭발 위험이 크게 줄어들며 분리막이 필요 없어진다. 또한 액체보다 고체의 밀도가 높은 데다가 분리막이 차지하던 공간도 전해질로 채울 수 있어서 그만큼 에너지 밀도를 높여주는 효과가 있다. 리튬 덴드라이트 문제도 없어진다. 이 때문에 지금의 리튬이온 전지가 가진 주요한 문제점을 해결하는 차세대 배터리로 전고체 배터리가 각광을 받고 있다.

정말 꿈의 배터리인가?

이렇게 장점이 많은 전고체 배터리지만 아직까지 상용화에는 이르지 못하고 있다. 정확히 말하면 초소형 정도의 전고체 배터리는 지금 기술력으도 가능하지만 전기자동차와 같이 진짜 전고체 배터리를 필요로 하는 분야에 쓰일 수 있을지는 아직 의문이 많은 상태다.

가장 큰 문제는 이온의 이동성이다. 물속을 헤엄치는 것과 공을 채운 풀장 속을 헤엄치는 것 중에 어느 쪽이 더 빠를까? 당연히 물속이다. 전해질로 액체를 사용하는 가장 큰 이유가 이온이 안에서 얼마나 잘 돌아다닐 수 있는가 하는 문제인데, 이는 충방전 특성과 출력에 결정적인 영향을 끼친다. 전고체 배터리는 아직 이를 제대로 해결하지 못하고 있다. 고체 안에서 이온의 이동성을 높이기 위한 연구가 계속되고 있지만 현재의 기술력으로는 소출력 소형전지 정도에나 쓸 수 있는 수준이다.

상용화 시점에 대해서도 말이 많은데, 토요타를 비롯한 몇몇 회사들이 2025년에 전고체 배터리를 탑재한 전기자동차를 상용화 하겠다는 계획을 내놓았지만 업계의 반응은 회의적이다. 빨라야 2020년대 말 정도로 보는 시각이 많으며, 전기자동차와 같은 대용량 고출력에는 전고체 배터리가 불가능할 것이라는 비관론도 만만치 않다.