차세대 배터리는 기술 발전과 함께 새로운 가능성을 열어가고 있다. 리튬이온전지에서 시작하여 고체전지와 리튬황전지로의 전환은 더욱 효율적이고 안전한 에너지 저장 솔루션을 제공할 것으로 기대된다. 이번 글에서는 Post LiB 시대의 주요 기술과 그 발전 방향을 살펴보겠다.
전고체전지의 부상과 그 의의
전고체전지 기술의 개요
2025년까지 리튬이온전지는 양극재와 음극재를 포함한 4대 소재의 성능이 개량될 것으로 예상된다. 이와 함께 전고체전지(all solid state battery)가 차세대 전지의 주류로 자리 잡을 것으로 보인다. 전고체전지는 전해질이 고체 상태인 전지로, 리튬메탈전지와 리튬황전지와 같은 새로운 기술들이 상용화를 목표로 하고 있다. 이들 전지는 고체 전해질의 개발을 통해 상용화 가능성을 높일 수 있다.
전고체전지의 가장 큰 특징은 안전성이다. 고체 전해질은 액체 전해질과 달리 발화나 폭발 위험이 없으며, 온도 변화나 외부 충격에도 안정성을 유지한다. 이로 인해 전고체전지는 전기차와 같은 고출력 응용 분야에서도 큰 장점을 가진다.
전고체전지의 장점
전고체전지는 여러 가지 장점을 지니고 있다. 첫째, 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 이는 바이폴라 구조를 통해 가능하며, 단전지에서 높은 전압을 생성할 수 있다. 예를 들어 전고체전지는 10V 이상의 전압을 실현할 수 있어, 기존 리튬이온전지에 비해 효율적인 에너지 저장이 가능하다.
둘째, 넓은 사용 온도를 지원한다. 기존 리튬이온전지는 저온에서 성능 저하가 발생하는 경우가 많으나, 전고체전지는 저온에서도 안정적인 성능을 제공할 것으로 기대된다. 이러한 특성은 전기차의 겨울철 주행 거리 문제를 해결하는 데 기여할 수 있다.
셋째, 전고체전지는 구조가 단순하다. 분리막이 필요 없고, 고체 전해질이 전극과 직접 접촉함으로써 제조 공정이 간소화된다. 이를 통해 제조 원가를 절감할 수 있는 가능성도 있다.
전고체전지의 도전과제와 대응 전략
전고체전지의 단점
전고체전지 기술이 발전하고 있지만, 여전히 해결해야 할 과제가 존재한다. 고체 전해질의 이온 전도도가 액체 전해질에 비해 낮다는 점과, 소재의 특성상 양산에 필요한 공정이 복잡하다는 문제가 있다. 특히, 고체 전해질의 안정성과 전극 간의 계면 저항 문제는 상용화에 큰 장애가 될 수 있다.
또한, 고체 전해질이 액체 전해질보다 이온 전도도가 낮다는 본질적 문제도 해결해야 한다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 고체 전해질의 특성을 개선하기 위한 다양한 방법을 모색하고 있다.
전고체전지 시장 전망
전고체전지 시장은 2035년까지 큰 성장이 예상된다. 일본 후지경제 연구소의 보고서에 따르면, 글로벌 전고체전지 시장 규모는 2조 8,000억 엔에 이를 것으로 전망된다. 이 중 황화물 계열이 주류를 차지할 것으로 예상되며, 이는 고체전지 기술의 발전에 큰 영향을 미칠 것이다.
리튬황전지: 새로운 가능성
리튬황전지 기술의 개요
리튬황전지는 양극재로 황을 사용하여 기존 리튬이온전지에 비해 이론적인 에너지 용량이 5배 이상 높다. 황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴하여 전지의 제조 원가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 그러나 황의 전기 전도도가 낮고, 충방전 과정에서 발생하는 폴리설파이드의 용해로 인해 용량 손실이 발생하는 단점도 있다.
리튬황전지의 기술적 과제
리튬황전지의 상용화를 위해서는 몇 가지 기술적 과제를 해결해야 한다. 첫째, 황의 전도성을 높이기 위해 전도성 물질과 혼합하는 비율을 조정해야 한다. 둘째, 충방전 과정에서 발생하는 부피 변화로 인한 스트레스를 줄이기 위한 구조 개선이 필요하다. 셋째, 폴리설파이드가 음극과 직접 반응하여 발생하는 문제를 해결하기 위한 연구가 필요하다.
결론: 차세대 배터리의 미래
차세대 배터리 기술은 리튬이온전지에서 전고체전지와 리튬황전지로의 전환을 통해 더욱 효율적이고 안전한 에너지 저장 솔루션을 제공할 것으로 기대된다. 이러한 발전은 전기차와 같은 다양한 응용 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 것이다. 현재의 기술적 과제를 극복하고, 지속적인 연구와 개발을 통해 차세대 배터리의 상용화가 이루어질 것으로 보인다.