차세대 배터리인 전고체 배터리에 대한 기초 상식과 미래 시장 전망
전고체 배터리는 한계를 뛰어넘는 차세대 혁신 배터리이다. 이번 포스팅에서는 전고체 배터리에 대한 정의, 개발해야 되는 이유 등 기초적인 상식과 전고체 배터리가 미래 배터리 시장에서 기대하는 시장가치와 점유율에 대해 알아보고자 한다.
전고체 배터리에 대해 소개하기 앞서 리튬이온 배터리에 대한 기초 상식을 알고 싶으시면 이전 포스팅을 참고하시기 바랍니다.
2차전지 그리고 리튬이온 배터리란 무엇인가? 기초 상식 알아보기
2차전지와 리튬이온배터리 배터리에 대해 간단하지만 필요한 기초 상식과 배터리 산업에 대한 전망을 알아보고자 한다. 2차전지(Secondary Battery)란 무엇인가? 2차전지는 재충전이 가능한 전지로,
liar-fortune-teller.tistory.com
전고체 배터리(ASSB, All Solide State Battery)란 무엇인가?
전고체 배터리란 무엇인가? 영어로는 All Solide State Battery(ASSB)로 완전 고체 상태의 전지를 말한다.
현재 가장 많이 상용화되고 있는 리튬이온 배터리는 양극재과 음극재 사이에 액체 전해질과 분리막이 있다. 액체 전해질은 리튬이온이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 매개체로 잘 알려져 있다. 전고체 배터리는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하고 이와 함께 분리막 역할까지 대신하여 분리막이 더 이상 필요 없게 되는 장점이 있다.
한마디로 기존의 리튬이온 배터리의 4대 핵심 소재가 전고체 배터리 상용화로 인해 3대 핵심 소재로 바뀌게 될 것이다. 그리고 전해질이 액체에서 고체로 바뀌는 게 핵심이다.
전고체 배터리가 필요한 이유
전고체 배터리가 필요한 첫 번째 이유 : 높은 에너지 밀도
전기차는 앞으로 내연기관차를 밀어내고 자동차업계의 주류로 성장 할 것이라는 예측이 대부분이다. 하지만 전차가 주류로 성장하기 위해서는 전기차가 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야된다. 이를 위해서는 전기차용 배터리의 용량을 증가시키는 것이 가장 핵심입니다.
배터리 용량을 증가시키는 방법은 크게 두 가지이다.
① 배터리 개수를 늘리는 방법 : 배터리 가격 상승과 차량 공간 효율성 감소로 실현 가능성이 없다.
② 에너지 밀도가 높은 배터리 사용 : 부피당 에너지 밀도가 높은 차세대 배터리 개발 즉, 전고체 배터리 개발
※ 에너지 밀도 : 단위 부피 또는 단위 무게 당 가지고 있는 에너지의 양으로 에너지 밀도가 높으면 같은 에너지를 가지고 있다 하더라도 부피가 작거나 무게를 적게 만들 수 있다.
전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 전고체 배터리로 구성할 경우 부품수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높아져 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리에 적합하다.
전고체 배터리가 필요한 두 번째 이유 : 우수한 안정성
리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하기 때문에 온도 변화로 인해 배터리 팽창 혹은 외부 충격으로 인한 누액 등 배터리 손상 시 폭발 등의 위험이 존재합니다.
전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 구조적으로 단단해 안정적이고, 전해질이 훼손된다 하더라도 형태를 유지할 수 있어 안정성을 높일 수 있습니다.
전고체 배터리가 필요한 세 번째 이유 : 넓은 사용 온도
고체전해질은 0℃ 이하의 저온이나 60~100℃의 고온에서 액체전해질보다 전도 성능이 향상된다.
리튬이온 배터리의 액체전해질은 한겨울 등 외부 온도가 낮아지면 배터리 내부와 전해질이 차가워지며 이에 따라 활발히 움직여야 하는 '리튬이온'의 온동력이 저하된다. 리튬이온의 이동 속도가 느려지면서 배터리의 에너지 효율은 떨어지게 되고, 결국 배터리가 빨리 방전되게 됩니다.
전고체 배터리의 종류
고체 전해질의 종류는 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계 3가지로 나눌 수 있다.
황화물계는 전해질이 가장 높은 이온 전도도를 보유하고 900Wh/L 이상의 높은 에너지 밀도로 구현할 수 있어 우수한 셀 성능으로 평가된다. 또한 화학적 안정성을 가지고 있어 전기차용 배터리로 적합합니다.
산화물계는 저항이 높아 충전 속도가 빨라야 하는 전기차용으로는 적합하지 않고 소형 진지에 주로 적용된다. 황화물계 보다 리튬 이온 전도도가 낮은 편이고 전기화학적 안정성이 우수하다.
폴리머계는 유연성과 가볍기 때문에 휴대용 전자 기기나 유연한 전지와 같은 분야에서 활용되며, 기존 액체 전해질 기술과 유사하고 제조 공정도 비슷하다.
전고체 배터리의 전기차 시장 전망
SNE 리서치에서 전고체 배터리를 양산이 시작되더라도 전기차 시장에서 빠른 침투는 어려울 것이라는 전망을 내놓았다. 전고체전지에 대한 시장의 관심은 증가하고 있으나, 2030년에도 여전히 리튬이온 배터리가 시장 점유율은 압도적으로 높을 것이라고 예측했다.
2023년 7월 24일에 SNE 리서치는 'LIB(리튬이온 배터리) 시장에 따른 분리막 시장 변화 전망('20~30) - LIB 패권 경쟁시대, 분리막의 방향은?'이라는 리포트를 발행하였다.
리튬이온 배터리의 공급량은 2023년 687 GWh에서 2030년 2,943 GWh로 4.3배 증가하여 배터리 시장에서 95% 이상의 점유율을 차지할 것으로 예측하였으며, 전고체 배터리 점유율은 약 4%대로 예측했다.
이는 전고체 배터리가 실제로는 2030년이 돼서야 전기차 실증이 이루어질 것이라는 전망에서 나온 예측이다. 정부에서 전고체 배터리 개발을 위한 연구개발(R&D), 세제 및 금융지원 등 대규모 지원을 계획하고 있으나, 정부의 로드맵에 따라 계획대로 잘 진행되어도 2030년에 겨우 차량 실증을 할 수 있다는 것이다.
전고체 배터리가 상용화 이전 까지는 리튬이온배터리가 전기차 시장에서 지속적인 성장을 이룰 것이며, 동박, 분리막 같은 기존 리튬이온 배터리의 공급사슬이 장기간 주류를 차지할 것이라는 전망이다.
전고체 배터리 개발 동향
전고체 배터리를 상용화하기 위해서는 높은 계면 저항, 전해질 두께, 입자 응집, void 형성 등의 다양한 기술적인 문제점을 가지고 있다. 또한, 주요 소재가 고가의 금속으로 배터리 제조를 위한 원가 가격경쟁력을 확보하기 어려워 양산 가능성이 낮다는 전망이 있다.
현재 리튬이온 배터리 전해액은 글로벌 기준 9$/kg이며, 전고체 배터리 중 유망한 황화물계 고체 전해질의 주원료인 황화 리튬(Li2S)은 1,500~2,000$/kg으로 액체 전해액 대비 200배 이상 차이가 난다.
하지만 전기차가 더 멀리, 안전하게 주행하기 위해서는 전고체 배터리 개발은 꼭 필요한 상황이다. 아직은 개발 초기 단계로 전고체 배터리 상용화까지 많은 시간이 필요하고 새로운 문제에 대면하게 될 것 등의 부정적인 전망도 많이 관측되고 있다.
당장 시장의 매력도가 낮아 보이지만 장기적인 관점에서 국내 배터리 3사는 전고체 배터리 시장을 선점하기 위해 치열한 경쟁을 진행하고 있다. 차세대 배터리로 주목받고 있는 상황에서 전고체 기술 확보는 차세대 배터리 시장을 선점하게 될 것이며 배터리 시장의 판도를 바꿀 수 있을 것이다.
차세대 배터리인 전고체 배터리 상용화를 위해서는 아직 많은 시간과 노력이 필요하다. 실패할 가능성이 있으며, 리스크가 존재한다.
배터리 업계 관계자의 말에 따르면 "어떤 기술이든 확신을 가지고 연구하는 경우는 없다. 기술의 가능성을 보고 투자한다. 기술의 가능성이 검증됐다면, 그때는 선두주자가 이미 생긴 상태이고 시작하기엔 늦은 때"라고 명언을 남겼다.
이상으로 차세대 꿈의 배터리인 전고체 배터리에 대한 기초상식과 시장에서 예측하는 전망에 대해 알아보았다. 아직 기술개발이 이루어지지 않았지만 미래에는 전고체 배터리를 장착한 전기차를 운전할 수 있기를 기대해 본다.
댓글