Special 차세대 전기차용 소재기술 개발 동향 및 산업전망(1)

전기자동차용 산화물 기반의 전고체 전지 기술동향

김민영_한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹 선임연구원
임진섭_한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹 수석연구원
김호성_한국생산기술연구원 제주본부 본부장/수석연구원

1. 서론

‘CES 2020’에서 향후 10년을 ‘전기차의 10년(Electric Decade)’으로 전망한 가운데 전기차 시장은 배터리 성능이 그 성패를 가를 것으로 관측되고 있다. 반면 전기자동차 및 신재생에너지 보급 확대와 더불어 배터리 팩과 에너지저장시스템(ESS)의 화재·폭발사고도 비례해서 증가하는 추세이다. 배터리 과충전, 열폭주 등으로부터 리튬이온배터리를 안전하게 유지해야 할 배터리관리시스템(BMS)이 제대로 작동하지 않거나 제어에 한계를 드러냈기 때문이다. 더욱이 주행거리 향상을 위한 고성능 제3세대 양극 소재 적용과 함께 셀의 고에너지밀도화가 진행되면서, 배터리 안전성에 대한 위험이 고조되고 있는 상황이다. 글로벌 기업들이 전고체전지에 대한 투자를 확대하고 있는 이유도 여기에 있다. 전고체전지는 가연성 높은 기존 액체 전해질과 달리 고체 전해질을 사용하기 때문에 화재 위험이 없고, 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 별도의 안전장치나 분리막도 필요 없어 전지의 고용량화·소형화·형태 다변화가 가능하며, 바이폴라 구조에 의해 고전압화가 가능하여 전기차 주행거리를 2~3배 향상시킬 수 있을 것으로 예측하고 있다.

그림 1. 기존 리튬이차전지 및 전고체 리튬이차전지 비교

  최근 전고체전지에 대한 연구개발은 전기자동차 및 신재생에너지의 ESS 전원으로 중대형 전지가 본격적으로 생산되면서 현재 리튬이온전지(LIB)의 안전성 향상 및 에너지밀도 증가 이슈를 동시에 해결하려는 목표를 가지고 연구되고 있으며, 특히 전기자동차용 배터리 팩에 의한 화재 및 폭발 사고를 방지하고, 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 전고체전지의 출현을 기대하고 있다. 그러나 현재의 카본-리튬금속산화물 기반의 LIB 기술은 이러한 요구사항에 적절하게 대처하는데 한계가 예상되고 있다. 이러한 관점에서 전고체 시스템에 의한 리튬-하이니켈 NCM, 리튬-설퍼 또는 리튬-공기전지의 구현을 검토 할 수 있으며, 그림 2(a), (b)와 같이 고체전해질 및 리튬금속에 의한 음극(anode)을 적용함으로써 높은 에너지밀도의 이차전지시스템 상용화 구현을 기대할 수 있다[1]. 그러나 현재까지 전고체 전지 시스템에 의한 연구는 주로 기존 리튬이온전지(LIB) 시스템 영역에서 이루어지고 있으며, 리튬-설퍼 전지 등 고에너지밀도 시스템에 대해서는 해외에서 주로 연구되고 있는 것으로 확인되고 있다. 고체전해질 소재는 그림 2(c)와 같이 폴리머 및 무기계 소재로 분류되고, 실제 연구에서는 전지설계와 공정에 따라 단독 또는 혼합, 그리고 다양한 형태로 적용되고 있다[1]. 따라서 본장에서는 산화물계 고체전해질 소재 기반의 전고체전지 설계 및 제조공정에 따른 대표적인 연구개발 동향을 소개하고자 한다.

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