용어사전

전고체 전지

[All-Solid-State Battery, ASSB]

전고체 전지는 양극과 음극 사이에서 리튬이온을 이동시키는 전해질을 기존의 액체 대신 고체로 만든 차세대 배터리다. 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리보다 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도를 높일 잠재력이 있어 차세대 전기차 배터리 기술로 주목받고 있다.

기존 리튬이온 배터리는 가연성 유기계 액체 전해질을 사용하고 양극과 음극의 직접 접촉을 막기 위해 분리막을 둔다. 반면 전고체 전지는 고체 전해질이 이온 이동 통로 역할과 양극·음극을 물리적으로 분리하는 역할을 함께 할 수 있어 액체 전해질과 기존 형태의 분리막을 사용하지 않는 구조가 가능하다.

전해질이 고체이기 때문에 액체 전해질의 누액이나 발화 위험을 줄이고 열적 안정성을 높일 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 다만 전고체 전지도 내부 단락이나 소재 열화 등에 따른 안전 문제가 발생할 수 있어 화재나 폭발 위험이 완전히 사라지는 것은 아니다.

전고체 전지는 높은 에너지 밀도를 구현할 잠재력도 갖는다. 특히 흑연이나 실리콘계 음극 대신 에너지 밀도가 높은 리튬메탈(Lithium Metal) 음극을 적용하기에 유리해 같은 무게와 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 이에 따라 전기차에 적용하면 배터리의 무게와 부피를 줄이면서 주행거리를 늘릴 수 있을 것으로 기대된다. 다만 전고체화 자체가 높은 에너지 밀도를 보장하는 것은 아니며 실제 성능은 전극 소재와 셀 구조 등에 따라 달라진다.

고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계(폴리머계) 등으로 나뉜다. 황화물계는 이온전도도가 높고 전극과의 접촉성이 우수해 자동차용 전고체 배터리의 유력한 후보로 평가되지만 수분에 민감하고 제조공정 관리가 까다롭다. 산화물계는 화학적·열적 안정성이 높은 반면 단단한 소재 특성 때문에 전극과 전해질의 계면 접촉을 확보하기 어렵다. 고분자계는 가공과 대량생산이 상대적으로 쉽지만 상온에서 이온전도도가 낮다는 한계가 있다.

상용화를 위해서는 고체 전해질의 이온전도도뿐 아니라 전극과 전해질 사이의 계면저항, 충·방전 과정의 균열과 부피 변화, 리튬 덴드라이트, 수명, 대량생산 공정과 높은 제조비용 등의 문제를 해결해야 한다. 따라서 높은 안전성과 에너지 밀도라는 장점에도 불구하고 대규모 양산에는 기술적·경제적 과제가 남아 있다.

삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온을 비롯해 일본 도요타와 닛산, 중국 CATL·BYD 등 세계 주요 배터리·자동차 기업들이 전기차용 전고체 배터리 상용화를 목표로 기술 경쟁을 벌이고 있다. 전고체 전지는 기존 리튬이온 배터리의 한계를 보완할 유력한 차세대 배터리 기술로 평가된다.

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