전고체 배터리란 무엇인가?(리튬메탈 배터리)

안녕하세요 이번 시간에는 전고체 배터리에 대하여 알아보고 잘못 알려진 전고체 전지에 대한 이야기를 해보는 시간을 가져보겠습니다.

과연 전고체 배터리가 정말로 에너지 밀도가 높고 안전성이 훨씬 뛰어난 차세대 꿈의 전지일까요?


1. 전고체 배터리란 무엇인가?

리튬이온 배터리의 주요 4대 요소는 ‘양극, 음극, 분리막, 전해질’로 구성이 되어있습니다.

기존 리튬 이온 배터리의 전해질은 액체로 되어있습니다. 때문에 양극과 음극 사이의 분리막이 손상되면 액체인 전해질을 쉽게 통과하여 양극과 음극이 서로 단락이 일어나게 되고 온도가 상승하면서 배터리 화재가 발생하게 됩니다. 하지만 전고체 배터리는 리튬 이온이 이동하는 전해질이 고체로 되어있고, 이 고체 전해질 자체가 분리막 역할도 하기 때문에 이러한 안전성 면에서 큰 이득을 볼 수 있습니다.

리튬이온VS전고체 전지
[출처:해시넷]
뿐만 아니라 기존 액체 전해질이 고체 전해질로 바뀌면서 온도 변화 민감성도 낮아져 배터리 사용 가능 온도의 범위도 훨씬 늘어나고 안전성을 확보하게 됩니다.


2. 에너지 밀도에 대한 오해

전고체 배터리는 위에서 말씀 드린 것처럼 전해질이 액체가 아닌 고체 형태인 배터리를 말합니다. 여기서 전해질의 역할은 충,방전시 리튬 이온의 이동을 위한 매개체 입니다. 양극과 음극의 가운데에서만 존재하면 될 것이 아니라 양극판과 음극판에도 존재를 해야한다는 말입니다.

기존 리튬이온 이차전지의 경우 케이스나 파우치에 양극,음극,분리막을 넣고 전해액을 주입하여 함침 시키는 방식으로 제작이 되어왔습니다. 하지만 전고체 배터리의 경우 액체 전해질이 아니기 때문에 극판 제조 공정에서 양극 소재 또는 음극 소재와 함께 고체 전해질을 첨가해 극판을 구성 시켜야합니다.  [기존 배터리 전극 제조 방식]

전극판의 구성이 활물질, 도전재, 바인더 등이 집전체위에 골고루 분포 되어 있어야 하는데 만약 이때 고체 전해질이 함께 골고루 섞이면서 공간을 차지 하게 된다면 양극 활물질이 있어야 할 공간이 기존 리튬 이온 배터리 제작시 보다 줄어 들게 됩니다.

이 말은 배터리 용량을 결정짓는 활물질의 용량이 줄어들게 된다는 이야기입니다.

하지만 또 이를 극복하기 위한 방식으로 체택 된 전고체 배터리 제작 방식이 바로 유명한 ‘에노드 프리(Anode Free)’ 방식의 배터리 입니다. 바로 음극의 공간을 비워 양극의 가용 공간을 늘려 배터리 용량을 늘리는 방식 입니다.

에노드 프리

에노드 프리 배터리는 충전시 음극쪽에 리튬을 이온형태가 아닌 금속 형태로 변형 시켜 보관하는 방식 입니다. 그리고 현재 대부분의 전고체 배터리 개발, 제조 업체에서 사용 하고 있는 방식 입니다. 이 방식으로 만들어진 배터리가 바로 ‘리튬메탈 배터리’ 입니다.

하지만 이 기술은 신(新) 기술이 아니라 1999년도 ‘미국전지학회지’에서 한번 언급 되어 현재까지 극소하게 연구가 되고 있던 방식입니다.

본 방식의 배터리의 에너지 밀도는 기존 리튬 이온 배터리의 용량과 거의 비슷하고 전지 안전성을 테스트 하는 방법으로 바라본다면 화재의 위험에서 훨씬 안전하다고 볼 수 있습니다. 하지만 충전시 만들어지는 리튬 금속이 실제 필드에서 큰 충격으로 인해 외부에 노출이 되고 물과 접촉해 발생하는 화재는 정말 겉잡을 수 없을 정도의 사고가 발생하게 됩니다.

과거보다 발전된 기술과 생각으로 이러한 전고체 배터리의 맹점을 해결한다면 정말 꿈의 전지라고 부를 수 있을만한 안전한 전지라고 판단이 됩니다.

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