‘배터리 혁명’, ‘이것’으로 가능하다?

더 안전하고 용량 큰 ‘전고체 배터리’가 앞당길 에너지 혁명

배터리는 스마트폰, 무선 청소기, 전기 자전거 및 자동차 등에 두루두루 쓰여 이제는 우리 생활에 없어서는 안 될 필수품이 되었습니다. 현재 가장 널리 활용되고 있는 배터리는 리튬 이온 배터리인데요, 여러분도 잘 아시다시피 하루에도 여러 번 충전을 해야 할 만큼 효율이 그렇게 높지는 않죠. 우리가 꿈꾸는 배터리의 미래는 어떨까요? 1번 충전에도 일주일을 사용할 수 있는 스마트폰, 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기 자동차도 가능할까요?

초고용량 배터리의 실현은 곧 ‘에너지 혁명’으로, 미래 전기 자동차 시장이나 IT 기기의 판도를 바꿔 놓을 것입니다. 그래서 수많은 IT 기업들이 리튬 이온 배터리의 단점을 극복할 ‘게임 체인저(Game changer : 판을 뒤흔들어 판을 뒤흔들어 시장의 흐름을 통째로 바꾸거나 어떤 일의 결과나 흐름 및 판도를 뒤집어 놓을 만한 결정적인 역할을 한 사건, 사람, 서비스, 제품)’를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 그 대표적인 주자가 바로 ‘전고체 배터리’인데요, 전고체 배터리는 뭐가 특별할까요?

리튬 이온 배터리와 전고체 배터리의 원리

일단 전고체 배터리의 원리는 리튬 이온 배터리와 크게 다르지 않습니다. 먼저 리튬 이온 배터리부터 알아봅시다. 리튬 이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되는데요, 양극은 리튬을 포함하고 있어 배터리의 용량과 전압을 결정합니다. 음극은 양극에서 나온 리튬 이온을 흡수하고 방출하면서 전류를 흐르게 하죠. 

배터리가 충전되면 리튬 이온은 양극에서 음극으로 이동해 음극에 있는데요, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 자연스럽게 전해액을 통해 다시 양극으로 이동하고, 리튬 이온과 분리된 전자(e-)는 도선을 따라 이동하면서 전기가 발생합니다. 그리고 분리막은 이 양극이 접촉하지 않도록 차단하는 역할을 하는데요, 전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 이온만 이동할 수 있게 합니다. 마지막으로 전해질은 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체입니다. 

단순하게 말하면 리튬 이온 배터리와 전고체 배터리는 한 가지 점에서 다릅니다. 바로 리튬 이온 배터리는 전해질이 액체로 되어 있고, 전고체 배터리는 고체로 되어 있다는 것입니다. 그래서 ‘전고체 배터리’인 것이죠.

리튬 이온 배터리와 전고체 배터리 비교 © 삼성SDI

더 안전하고 용량도 큰 전고체 배터리, 전기차 미래 바꿀까?

전해질을 고체로 바꾸면서 전고체 배터리는 리튬 이온의 단점을 해결했습니다. 리튬 이온 배터리를 사용할 때 가장 우려되는 것은 안전성입니다. 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 생기는 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액처럼 배터리가 손상될 가능성이 항상 있습니다. 예전에 우리나라는 물론이고 세계를 떠들썩하게 했던 스마트폰 갤럭시 노트7의 배터리 폭발을 떠올려보세요. 그래서 리튬 이온 배터리에는 안전성을 높이기 위한 부품이나 장치들이 추가적으로 들어갑니다.

반면에 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전합니다. 

또한 배터리 용량도 리튬 이온 배터리에 비해 획기적으로 늘릴 수 있습니다. 전기 자동차가 내연 기관차를 대체해 자동차의 주류가 되려면 내연 기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하는데요, 즉, 핵심 부품인 전기차용 배터리 용량을 증가시키는 것이 중요합니다. 

배터리의 용량을 늘리는 가장 단순한 방법은 배터리의 개수를 늘리는 것입니다. 하지만 이렇게 하면 가격도 비싸고 배터리를 꽉꽉 채워야 해서 공간적으로도 손해죠. 그런데 전고체 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높습니다. 폭발이나 화재의 위험성이 덜해서 안전성을 높이는 추가 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는, 리튬 이온이 들어 있는 활물질로 채웠기 때문입니다.

현재 개발 중인 전고체 배터리 전기 자동차 컨셉카의 특장점. © 현대자동차

다만 아직은 전고체 배터리의 생산 단가가 높고 개발 초기 단계로 상용화가 되지 않았다는 아쉬움이 있지요. 하지만 실망하지 마세요, 우리나라는 현재 전고체 배터리를 가장 활발히 개발하고 있는 나라 중에 하나니까요! 최근에는 KAIST 같은 대학에서 무처럼 신축성이 탁월한 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원으로 연결한 ‘엘라스토머 고분자 고체 전해질’을 개발해 한 번 충전으로 전기 자동차가 800km를 달릴 수 있도록 하는 전고체 배터리를 시험적으로 개발하는 데 성공하기도 했답니다.

전고체 배터리가 가져올 에너지 혁명, 그 시기가 머지않았습니다.

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