Special 차세대 전고체 배터리 최신 기술 개발 동향(1)

황화물계 고체전해질 및 전고체배터리 기술 현황과 전망

김경수_한국전자기술연구원 차세대전지연구센터 수석연구원

1. 서론

최근 전 세계적으로 환경 규제가 강화되고 전기자동차(EV) 시장이 급성장하면서, 기존 리튬이온 배터리의 한계를 뛰어넘는 차세대 배터리 기술에 대한 관심이 뜨겁다. 그중에서도 전고체배터리(All-Solid-State Battery, ASSB)는 에너지 밀도, 안전성, 수명 등 여러 면에서 기존 배터리를 능가할 잠재력을 지닌 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 특히 황화물계 고체전해질(Sulfide-based Solid Electrolyte)은 높은 이온 전도도를 바탕으로 전고체배터리의 상용화를 앞당길 핵심 소재로 평가받고 있다.

그림 1. 전고체 배터리 시장 전망 및 개발 계획 (출처: SNE 리서치 자료 / 그래픽 디자인 최수아)

  전고체배터리의 기술적 필요성과 함께, 황화물계 고체전해질의 특징 및 장단점을 심층적으로 분석하고, 국내외 연구 개발 동향과 상용화 전망을 제시하고자 한다. 또한 전고체배터리 상용화를 위한 기술적 과제와 해결 방안을 모색하여, 미래 배터리 기술 발전 방향을 제시하고자 한다.

2. 전고체배터리의 필요성

2-1. 리튬이온 배터리의 한계

현재 전기차 시장을 주도하고 있는 리튬이온 배터리는 에너지 밀도, 출력, 수명 등 여러 면에서 꾸준한 발전을 거듭해왔다. 하지만 액체 전해액을 사용하는 리튬이온 배터리는 다음과 같은 근본적인 한계를 가지고 있다.

  액체 전해액은 가연성이며 인화성이 높아 외부 충격이나 과충전 등의 이벤트 발생 시 화재의 위험이 있다. 특히 전기차의 경우 배터리 팩의 크기가 크고, 운행 중 진동 및 충격에 노출될 가능성이 높아 안전성 문제가 더욱 중요하게 부각되고 있다.

그림 2. 전기차 화재 사례 및 대응 (출처: 세계타임즈 21년 10월 29일 자 기사, 동아일보 22년 8월 18일 자 기사)

  전기차의 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리 팩의 크기를 키워야 하지만, 이는 차량 무게 증가와 비용 상승으로 이어진다. 따라서 높은 에너지밀도의 배터리가 요구되고 있는데 리튬이온배터리의 에너지밀도는 전극 소재의 한계로 인해 더 이상 획기적인 개선을 기대하기 어렵다. 1991년 최초 상용화된 이후 30년간 약 3배의 에너지밀도 상승이 있었으나 사용하는 시스템 및 소재로는 거의 에너지밀도 한계에 다다랐으며, 극한의 설계를 거듭하다 보니 안전성의 우려가 커지고 있다. 

  액체전해액은 낮은 온도에서는 얼게 되면서 성능이 저하되고 불균일하여 안전성의 우려가 발생한다. 높은 온도에서는 열화가 촉진되어 충·방전 수명이 줄어드는 문제가 있다. 이를 위해 적정 범위의 배터리 온도 관리가 필수적이며 이는 전기자동차의 배터리 팩에 냉각 및 난방 장치를 추가하게 되어 주행거리 증대가 어려워진다. 따라서 이를 극복하기 위한 차세대 배터리에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 3월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>