전고체전지 기술 및 산업 동향
2019-11-13
org.kosen.entty.User@f089e1f
박상우(parksw025)
1. 서론
리튬이온전지는 1991년 일본의 Sony사에서 처음으로 상용화된 이래 고에너지용량, 고출력 특성 및 경량 특성 등의 다양한 장점으로 세계 이차전지 시장을 석권하였다. 특히 전기자동차 시장이 급격히 확장함에 따라 리튬이온전지 산업 또한 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 기존 소형 디바이스 및 가전제품용 리튬이온전지를 넘어 전기자동차 및 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS) 등 중대형 고에너지 응용분야가 급격히 성장함에 따라 그 이차전지산업의 시장가치 또한 2018년 약 220억 달러에서 2025년 약 1180억 달러로 성장할 것으로 전망된다. 이처럼 리튬이온전지가 중대형 에너지 저장매체로 활용되기 위해서는 현재 수준보다 획기적으로 향상된 가격경쟁력, 에너지 밀도 그리고 안정성이 요구된다. 특히 리튬이온전지의 발화/폭발 문제는 대용량 응용으로 갈수록 훨씬 막대한 피해로 이어질 수 있기에, 안정성 문제가 최우선적으로 해결되어야만 한다. 이러한 안정성 문제를 해결하기 위해 제시되고 있는 차세대 전지 시스템이 바로 전고체 리튬이온전지(이하 전고체전지)이다. 전고체전지는 인화성 유기용매기반의 액체전해질을 고체전해질로 대체한 리튬이온전지를 의미한다. 액체전해질은 전지가 과열될 시 유기용매의 증발에 의한 배터리 팩의 부피팽창 및 폭발의 위험성이 있는 반면, 고체전해질은 온도변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험 등이 원천적으로 차단되기 때문에 매우 안전한 차세대 전지로 각광받고 있다. 본 보고서에서는 전고체전지의 개념과 전고체전지용 고체전해질의 연구 및 산업 동향에 관해 살펴보도록 하겠다.
2. 전고체전지 기술 및 산업 동향
2.1. 전고체전지의 개념
서론에서 설명하였듯이 리튬이온 전지의 4대 요소 중 하나인 전해질을 고체 소재로 대체함으로써 비로소 전지 내의 모든 소재들이 고체로 이루어진 전지를 전고체전지라고 부른다. 전고체전지의 가장 큰 장점은 인화성 유기용매를 배제함으로써 얻어지는 안정성이라고 할 수 있다. 액체전해질을 사용하는 전지보다 고온 안정성 및 내열성이 뛰어나고 이론적으로 폭발이나 발화가능성을 현저히 낮출 수 있다. 전고체전지의 또다른 장점은 패키징에 의해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 점인데, 이는 배터리 설계의 측면에서 아래의 그림1B과 같은 적층가능한 바이폴라(bipolar) 구조로 셀을 조립할 수 있기 때문이다. 액체전해질을 사용한 기존 리튬이온전지의 경우 각 셀을 모두 밀봉한 뒤에 모듈이나 팩으로 조립해야하지만, 고체전해질을 사용한다면 단순히 극판과 전해질을 교차하여 적층하는 방식으로 셀을 제작할 수 있어 부피를 약 1/5로 줄일 수 있다. 이로인해 같은 부피에 많은 배터리를 탑재할 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있다. 이외에도 높은 전위창(5V 이상)을 바탕으로 기존 유기계 액체전해질(약 4.5V의 전위창) 시스템에서 적용할 수 없었던 새로운 활물질을 적용할 수 있다는 잠재적인 장점을 가지고 있다.
그러나 상기 거론된 장점들은 현재까지는 이론적인 기대치에 불과하며 다양한 논란과 해결해야할 과제들이 남아 있다. 고체전해질의 가장 치명적인 문제점은 액체 전해질에 비해 리튬이온의 전도도가 현저히 낮아 전지의 출력특성이 열화된다는 점이다. 또한 고체전해질과 양/음극재가 접촉하는 계면에서 젖음성(wettability)이 좋지 않아 계면 저항이 매우 크게 발생하여 전지의 수명 및 전반적인 성능이 기존 리튬이온전지에 비하여 열등하다. 이와 더불어 산업적인 측면에서는 고온/고압의 제조공정이 요구되어 생산단가를 낮추는데 어려움이 있으며, 다른 전지 소재들과의 적합성(compatibility) 또한 문제가 될 소지가 있어 생산 설비의 전체적인 수정이 필요하게 될 수 도 있다.
리튬이온전지는 1991년 일본의 Sony사에서 처음으로 상용화된 이래 고에너지용량, 고출력 특성 및 경량 특성 등의 다양한 장점으로 세계 이차전지 시장을 석권하였다. 특히 전기자동차 시장이 급격히 확장함에 따라 리튬이온전지 산업 또한 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 기존 소형 디바이스 및 가전제품용 리튬이온전지를 넘어 전기자동차 및 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS) 등 중대형 고에너지 응용분야가 급격히 성장함에 따라 그 이차전지산업의 시장가치 또한 2018년 약 220억 달러에서 2025년 약 1180억 달러로 성장할 것으로 전망된다. 이처럼 리튬이온전지가 중대형 에너지 저장매체로 활용되기 위해서는 현재 수준보다 획기적으로 향상된 가격경쟁력, 에너지 밀도 그리고 안정성이 요구된다. 특히 리튬이온전지의 발화/폭발 문제는 대용량 응용으로 갈수록 훨씬 막대한 피해로 이어질 수 있기에, 안정성 문제가 최우선적으로 해결되어야만 한다. 이러한 안정성 문제를 해결하기 위해 제시되고 있는 차세대 전지 시스템이 바로 전고체 리튬이온전지(이하 전고체전지)이다. 전고체전지는 인화성 유기용매기반의 액체전해질을 고체전해질로 대체한 리튬이온전지를 의미한다. 액체전해질은 전지가 과열될 시 유기용매의 증발에 의한 배터리 팩의 부피팽창 및 폭발의 위험성이 있는 반면, 고체전해질은 온도변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험 등이 원천적으로 차단되기 때문에 매우 안전한 차세대 전지로 각광받고 있다. 본 보고서에서는 전고체전지의 개념과 전고체전지용 고체전해질의 연구 및 산업 동향에 관해 살펴보도록 하겠다.
2. 전고체전지 기술 및 산업 동향
2.1. 전고체전지의 개념
서론에서 설명하였듯이 리튬이온 전지의 4대 요소 중 하나인 전해질을 고체 소재로 대체함으로써 비로소 전지 내의 모든 소재들이 고체로 이루어진 전지를 전고체전지라고 부른다. 전고체전지의 가장 큰 장점은 인화성 유기용매를 배제함으로써 얻어지는 안정성이라고 할 수 있다. 액체전해질을 사용하는 전지보다 고온 안정성 및 내열성이 뛰어나고 이론적으로 폭발이나 발화가능성을 현저히 낮출 수 있다. 전고체전지의 또다른 장점은 패키징에 의해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 점인데, 이는 배터리 설계의 측면에서 아래의 그림1B과 같은 적층가능한 바이폴라(bipolar) 구조로 셀을 조립할 수 있기 때문이다. 액체전해질을 사용한 기존 리튬이온전지의 경우 각 셀을 모두 밀봉한 뒤에 모듈이나 팩으로 조립해야하지만, 고체전해질을 사용한다면 단순히 극판과 전해질을 교차하여 적층하는 방식으로 셀을 제작할 수 있어 부피를 약 1/5로 줄일 수 있다. 이로인해 같은 부피에 많은 배터리를 탑재할 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있다. 이외에도 높은 전위창(5V 이상)을 바탕으로 기존 유기계 액체전해질(약 4.5V의 전위창) 시스템에서 적용할 수 없었던 새로운 활물질을 적용할 수 있다는 잠재적인 장점을 가지고 있다.
그러나 상기 거론된 장점들은 현재까지는 이론적인 기대치에 불과하며 다양한 논란과 해결해야할 과제들이 남아 있다. 고체전해질의 가장 치명적인 문제점은 액체 전해질에 비해 리튬이온의 전도도가 현저히 낮아 전지의 출력특성이 열화된다는 점이다. 또한 고체전해질과 양/음극재가 접촉하는 계면에서 젖음성(wettability)이 좋지 않아 계면 저항이 매우 크게 발생하여 전지의 수명 및 전반적인 성능이 기존 리튬이온전지에 비하여 열등하다. 이와 더불어 산업적인 측면에서는 고온/고압의 제조공정이 요구되어 생산단가를 낮추는데 어려움이 있으며, 다른 전지 소재들과의 적합성(compatibility) 또한 문제가 될 소지가 있어 생산 설비의 전체적인 수정이 필요하게 될 수 도 있다.