전고체 배터리 상용화가 어려운 진짜 이유

 

전고체 배터리 개발의 문제점

전고체 배터리의 역사를 보면 1912년 Toyota는 EV 시장에서 경쟁력을 유지하기 위해 자동차산업 애플리케이션을 위한 배터리에의 실험적 연구를 수행하기 시작했습니다. 동시에 폭스바겐은 전문적인 스타트 업과 파트너십을 맺기 시작했고, 1993년 콜로라도대학 연구원들은 철-황 케미스트리를 기반으로 한 고체 복합 양극을 사용하여 기존보다 더 높은 에너지 용량을 구현하는 배터리를 발표했습니다.

2017년 리튬 이온 배터리 공동 발명가인 존 굳 이너프 교수는 유리 전해질과 리튬, 나트륨 또는 칼륨으로 구성된 알칼리 금속 음극을 사용하는 고체 배터리를 공개했습니다. 이 개발 논문을 시작점으로 했을 때 2013년부터 지금까지 약 10년이 지났습니다. 

업계에 목표인 2027년이 지나면 과연 우리는 전고체 배터리 양산을 볼 수 있을까요?

잘 알다시피 리튬이온 배터리는 음극과 양극, 전해액 ,분리막으로 구성되어 있습니다. 방전에 첫 번째 시작은 리튬의 이온화라고 할 수 있습니다. 결국 리튬 이온의 이동속도와 함유량이 배터리의 용량을 결정하게 되는데 핵심원리는 리튬이온의 이동이 원활해야 한다는데 있습니다. 현재 리튬이온 배터리의 전해질은 액체 상태입니다. 액상이기 때문에 배터리 내부로 주액이 용이하며, 비워진 공간 없이 공간의 활용도도 비교적 높습니다. 리튬폴리머 배터리같이 액상 전해액은 겔화시키는 방법도 용이합니다. 전해액을 주액한 후 개시제를 추가로 주액하면 두 물질이 반응하여 전해액이 겔(Gel)화 되는 것입니다.
반면 전고체는 전해질의 상태가 고체인 것이 가장 큰 차이점이라고 할 수 있습니다. 고체 상태의 파우더를 배터리 내부에 넣으면 액체와 달리 배터리 내부를 완벽히 채우기가 어렵습니다. 따라서 배터리 내부의 비어 있는 공간이 생기기 마련입니다. 실제 액체 전해액을 주액할 때도 배터리 내부를 진공으로 만들고 나서 밀어 넣은 뒤 충분히 스며들도록 시간을 두고 기다립니다.

또한 전해액이 고체와 됨으로 인해 리튬이온이 이동할 수 있는 경로를 충분히 확보할 수 있는 기술이 필요하게 됩니다. 전고체 배터리에 캐소드 양극재와 고체 전해질 리튬 음극이 잘 믹스되어야 정상적인 동작이 가능해집니다. 양극 입자 하나하나가 전해질과 접촉이 되기 위해 정밀한 컨트롤이 필요하게 되며 이로 인해 양산을 위한 상당한 원가 상승 원인으로 작용하기도 됩니다. 리튬 이온 이동할 수 있는 경로를 충분히 확보할 기술 개발이 필요한 것이죠.

또한 전고체 전해액의 경우 배터리 내부에 보이드가 많이 생기고 이 공간을 없애기 위해 ALD (Atomic Layer Disposition , 원자층 적층) 같은 반도체에서나 사용되는 정밀 적층 코팅기술이 필요하게 됩니다

액체 전해질의 시장 가격은 kg 당 10달러 이하이지만 고체 황화물로 만든 고체 전해질 1 kg은 Lab 상에서 샘플을 감안하더라도 천만 원 이상의 비용이 듭니다. 양산하더라도 액체 전해질 가경 대비 10배 이상 비쌀 수 있습니다.
이렇게 되면 배터리 가격 상승으로 전고체 양산 자체가 어려워집니다. 액체 전해질을 사용하면 바로 해결될 문제들이 고체 전해질을 사용할 시 중요한 기술적인 난제로써 작용할 수 있습니다.

현재까지 가장 유력한 전해질인 황화물계 고체 전해질은 제조 과정에서 대기나 습기에 노출될 수 없으며, 노출 시 상당한 유독가스를 방출하게 됩니다. 발생되는 황화수소는 매우 유독한 가연성 기체이며 공기보다 무거워 환기가 잘 되지 않는 공간의 경우 아래 부분에 축적되게 됩니다. 특히나 인체에 유해하여 발생 시 치명적일 수 있습니다. 고체 전해질 제조를 위해서 아르곤으로 채워진 글로브 박스 안에 수 십 그램의 고체 전해질 샘플을 제조하는 대만 일주일이 걸리고 대량 양산을 하려면 시설 전체를 아르곤으로 채워야 하기 때문에 공장 건설 비용이 대폭 증가할 것입니다.

전고체 배터리 제조하기 위한 기술적 난이도는 기존에 우리가 생각하고 있는 리튬이온 배터리나 다른 케미스트리 배터리와는 차원이 다른 문제라고 생각합니다. 그 말은 다르게 생각하면 전고체 배터리를 확보한다면 그만큼 전기차 시장의 게임 체인저로서 우월한 지위를 차지할 수 있다는 의미로 해석됩니다.