[로이슈 편도욱 기자] 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있다. 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시의 위험성이 존재한다.

이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리를 말한다.

구조적으로 살펴보면 현재 사용하고 있는 대부분의 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 함께 있지만, 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신하고 있다.

전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 안전성을 높일 수 있다.

궁극적으로 리튬이온전지의 태생적 한계인 화재 및 폭발 위험을 제거하고, 에너지 밀도를 무게 기준 500Wh/kg, 부피 기준 1,000Wh/L까지 높일 수 있다.

구체적인 장점은 1) 고전압 양극활물질을 적용할 수 있고, 2) 적층 가능한 바이폴라 구조를 가지며, 3) 냉각 장치나 BMS가 필요 없다 보니 팩 부피 밀도를 향상시킬 수 있고, 4) 고체 전해질의 특성상 작동 온도가 넓으면서 특히 겨울처럼 저온에서 높은 이온전도도를 유지한다.

고체 전해질 소재로는 1) 황화물계, 2) 산화물계, 3) 폴리머(드라이/겔)에 대한 연구가 병행되고 있다. 3가지 소재 모두 장단점을 가진다.

황화물계는 리튬이온전도도(10-2~10-3S/cm)가 액체 수준으로 가장 높고, 전극과 전해질간 접촉 계면 형성이 용이하며, 기계적 강도와 유연성이 좋은 장점을 가진다.

반면에 수분 반응성이 높아 공기 중에서 안전성이 취약하고 가스가 발생하는 단점이 있다.

산화물계는 공기 중에서 안전하고, 리튬이온전도도(10-3~10-4S/cm)가 비교적 높은 편이며, 전기화학적 안전성과 기계적 강도가 우수한 장점을 가진다.

반면에 단점으로는 다루기가 어렵다. 입계 저항이 높고, 전극과 전해질간 접촉 계면 형성이 어려우며, 고온 열처리 공정이 필요하고, 셀을 대형화하기 쉽지 않다.

폴리머는 기존 리튬폴리머전지 기술과 유사해 활용성이 높을 것이고, 전극 계면 형성이용이한 장점을 가진다. 드라이(Dry) 타입과 겔(Gel) 타입으로 나뉜다.

드라이 폴리머는 Roll-to-Roll 공정을 적용할 수 있는 장점을 가지는 반면에 이온전도도가 낮고, 고온 환경에서만 작동하는 단점을 가진다.

겔 폴리머는 이온전도도가 상대적으로 양호한 반면에 기계적 강도가 낮다.

편도욱 로이슈 기자 toy1000@hanmail.net