전고체 배터리가 높아지고 에너지 밀도가 향상되는데, 이러한 구조적 차이가 어떤 방식으로 배터리의 성능과 안정성에 기여하는지 궁금합니다.

Question

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 에너지 저장 장치입니다. 이로 인해 안전성이 높아지고 에너지 밀도가 향상되는데, 이러한 구조적 차이가 어떤 방식으로 배터리의 성능과 안정성에 기여하는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

전고체 배터리가 기존 리튬이온 배터리보다 우수한 성능과 안정성을 갖는 이유는 액체 전해질이 고체로 바뀌면서 배터리 내부 구조와 재료 역학이 근본적으로 변화하기 때문입니다.

​기존 배터리는 가연성이 높은 액체 전해질을 사용하므로 양극과 음극이 만나 합선되는 것을 막기 위해 분리막이 필수적입니다. 또한 충방전이 반복되면 음극 표면에 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라는 덴드라이트 현상이 발생해 분리막을 찢고 화재를 일으키는 원인이 됩니다. 반면 전고체 배터리는 단단한 고체 전해질이 분리막 역할을 겸하므로 덴드라이트가 침투하기 어려워 내부 단락으로 인한 폭발 위험성이 획기적으로 낮아집니다.

​이러한 높은 안정성은 에너지 밀도 향상으로 직결됩니다. 화재 위험이 사라지면 기존 배터리 팩에 필요했던 냉각 장치나 폭발 방지용 외장재 등 안전 부품을 대폭 줄일 수 있고, 그 공간에 에너지 효율을 높이는 활물질을 더 많이 채워 넣을 수 있습니다. 구조적으로도 하나의 셀 내부에 양극과 음극을 직렬로 이어 붙이는 바이폴라 구조가 가능해져 공간 효율성이 극대화됩니다. 아울러 액체와 달리 온도 변화에 따른 기화나 동결 우려가 없어 영하의 혹한이나 고온의 가혹한 환경에서도 일정한 이온 전도도를 유지하므로 배터리의 수명과 실제 주행 효율을 동시에 높이는 결과를 가져옵니다.

Answer 2

안녕하세요.

전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리와 비교해보자면, 전해질의 상태 자체가 완전히 다르다는 점에서 근본적인 구조 차이를 가집니다. 기존 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 유기용매 기반의 액체 전해질을 사용합니다. 이 액체 전해질은 이온 전도성이 우수한 대신 인화성이 높고 열에 불안정하다는 약점이 있는데요, 반면에 전고체 배터리는 액체 대신 세라믹계, 황화물계, 고분자계 같은 고체 전해질을 사용하여 이온 이동 통로를 형성합니다. 이 구조 변화가 배터리의 안전성과 에너지 밀도, 수명 특성에 큰 영향을 미치게 됩니다.

안전성이 향상되는 가장 중요한 이유는 가연성 액체의 제거에 의한 것인데요, 기존 리튬이온전지는 내부 단락이나 외부 충격, 과충전이 발생하면 액체 전해질이 열분해되면서 인화성 가스를 생성할 수 있습니다. 이 과정에서 열폭주가 시작되면 셀 내부 온도가 급격히 상승하고 화재나 폭발로 이어질 위험이 생길 수 있습니다. 실제로 스마트폰이나 전기차 화재 문제의 상당수가 이 현상과 연관이 있는데요, 하지만 전고체 배터리는 액체 유기용매가 거의 없거나 매우 적기 때문에 열에 의한 연쇄 반응 가능성이 크게 감소하며, 무기 고체 전해질은 고온에서도 비교적 안정한 결정 구조를 유지하기 때문에 화재 위험을 크게 낮출 수 있습니다. 또한 에너지 밀도가 향상되는 이유는 전고체 구조가 더 고용량의 전극 재료를 사용할 가능성을 열어주기 때문인데요, 기존 리튬이온 배터리는 안전성 문제 때문에 흑연 음극을 많이 사용합니다. 반면에 전고체 배터리는 이론적으로 에너지 저장 능력이 훨씬 큰 리튬 금속 자체를 음극으로 사용할 가능성이 높습니다. 리튬 금속은 단위 질량당 저장 가능한 전하량이 매우 크기 때문에 동일한 크기에서도 더 많은 에너지를 저장할 수 있으며, 전기차 기준으로 보면 더 긴 주행거리, 스마트폰 기준으로 보면 더 긴 사용시간을 기대할 수 있는 것입니다. 감사합니다.