에너지

전고체 배터리: 고체 전해질 연구와 전기차 상용화 과제

게시일 2024년 10월 9일

업데이트일 2026년 10월 12일

작성자

Jonathan Schramm

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전고체 배터리: 고체 전해질 연구와 전기차 상용화 과제

리튬이온 배터리는 전기차에 널리 쓰이지만 에너지 밀도, 충전 속도, 수명과 안전성 사이의 균형을 개선할 여지가 있습니다.

일부 전지에서는 리튬 덴드라이트가 내부 단락을 일으킬 수 있고, 가연성 전해액도 안전 관리가 필요한 요인입니다. 위험의 정도는 전극 소재와 설계, 운전 조건에 따라 달라집니다.

출처: Nobel Prize

전고체 배터리는 액체 전해액을 고체 전해질로 대체합니다. 전해질이 없어지는 것은 아니며, 덴드라이트 위험이 모든 설계에서 자동으로 사라지는 것도 아닙니다.

토요타는 2024년 당시 전고체 배터리의 상용화 시점을 2027~2028년으로 제시했습니다. 이는 개발 목표이며, 전고체 배터리는 모빌리티의 미래를 위한 여러 후보 기술 중 하나입니다.

상용화에는 해결할 문제가 남아 있습니다. 그중 하나는 가넷 구조의 고체 전해질인 LLZO와 전극 사이의 접촉과 안정성입니다. LLZO의 대표 조성은 Li₇La₃Zr₂O₁₂입니다.

맥길대 연구진은 다공성 LLZO를 활용한 복합 고체 전해질을 연구했습니다. 결과는 Cell Reports Physical Science에 「4.8-V all-solid-state garnet-based lithium-metal batteries with stable interface」라는 제목으로 발표됐습니다.

고체 전해질

LLZO

전고체 배터리에도 양극과 음극 사이에서 이온을 이동시키는 전해질이 필요합니다. 기존 전지의 액체 전해액 대신 고체 소재를 사용하는 것이 핵심입니다.

고체 전해질에는 세라믹, 고분자, 이들을 결합한 복합 고체 전해질 등이 있습니다. 각각 이온 전도성, 기계적 특성, 가공성과 계면 안정성에서 장단점이 있습니다.

복합 고체 전해질, CSE는 고분자와 LLZO 같은 무기 이온 전도체를 결합해 이온 이동과 계면 접촉을 개선하는 접근법입니다.

고전압 작동을 위해서는 전해질 자체의 안정성뿐 아니라 전극과의 접촉도 중요합니다. 접촉이 나쁘면 계면 저항이 커지고 성능이 떨어질 수 있습니다.

다공성 LLZO

이번 연구는 치밀한 세라믹 판 대신 다공성 가넷 골격과 고분자를 결합했습니다.

연구진은 입방정계 Li₆.₁Al₀.₃La₃Zr₂O₁₂ 다공성 골격과 PVDF 계열 고분자를 이용해 연속적인 3차원 이온 이동 경로를 갖는 복합체를 설계했습니다.

미세구조에는 작은 기공들이 연결된 3차원 골격이 나타납니다.

출처: Cell

이 구조는 이온 이동 경로와 전극 접촉을 개선하도록 설계됐습니다.

출처: Cell

보다 안정적이고 내구성 있는 배터리

전고체 설계는 높은 에너지 밀도의 가능성을 제공하지만, 기존 리튬이온 전지보다 언제나 출력과 에너지 밀도가 높은 것은 아닙니다. 반복 충방전 수명과 대량생산 공정도 검증해야 합니다.

연구진은 전극과 전해질 사이 계면이 반복 작동 후에도 유지되는지 시험했습니다.

보고된 200회 충방전 후 관찰에서는 뚜렷한 균열이나 박리 없이 계면이 유지됐습니다. 이는 해당 시험 조건의 결과입니다.

출처: Cell

시제품은 연구 조건에서 안정적인 작동과 리튬 침착 억제 가능성을 보여줬습니다.

리튬–리튬 대칭 전지는 0.1 및 0.5 mA/cm² 조건에서 1,000시간 안정적으로 작동했습니다. 대칭 전지 시험은 완전한 자동차용 전지의 수명 시험과 구분해야 합니다.

안전성 개선 가능성

액체 전해액을 줄이고 덴드라이트 성장을 억제하는 것은 안전성 개선에 도움이 될 수 있습니다. 그러나 고체 전해질을 썼다는 사실만으로 완성 전지의 화재 위험이 사라졌다고 할 수는 없습니다.

연구의 세라믹 기반 복합 전해질 두께는 약 125 μm였습니다. 얇은 전해질은 에너지 밀도에 유리할 수 있지만 다른 구성 요소와 제조 조건도 영향을 미칩니다.

공정의 실용성은 원료, 장비, 수율과 생산 규모를 함께 평가해야 합니다. 실험실 제조 성공이 대량생산의 비용이나 용이성을 확립하지는 않습니다.

출처: Cell

이 연구는 계면 안정성과 이온 이동을 개선하는 한 가지 접근법을 제시합니다. 자동차용 제품으로 이어지려면 추가 성능 및 생산 검증이 필요합니다.

전고체 배터리가 표준이 될까?

전고체 배터리가 가까운 시일 안에 모든 전기차의 표준이 된다고 단정할 수는 없습니다.

기존 리튬이온 전지도 소재와 구조, 공정 개선을 통해 성능을 높이고 있습니다. 미세구조를 제어하는 것은 여러 연구 방향 중 하나입니다.

예를 들어 CATL의 이른바 벌집 구조 배터리 관련 기술 도 성능 개선을 목표로 합니다. 그러나 발표된 설명만으로 서로 다른 전지의 안전성과 에너지 밀도가 동등하다고 판단할 수는 없습니다.

마이크로·나노 규모의 소재 이해와 계면 제어는 성능 개선에 중요합니다. 덴드라이트 위험을 영구히 완전히 제거했다고 주장하려면 더 넓은 검증이 필요합니다.

배터리 기술에 투자하기

리튬 기반 배터리는 휴대 전자기기와 전기차의 발전에 기여했습니다.

배터리 저장은 재생에너지 통합을 도울 수 있고, 충분한 성능의 전지는 일부 항공기 전동화에도 활용될 수 있습니다. 하지만 전력망과 항공의 모든 과제를 배터리 하나로 해결하는 것은 아닙니다.

배터리 관련 기업에 투자하려면 증권사를 통한 주식 거래 등을 검토할 수 있습니다. Securities.io에는 미국, 캐나다, 호주, 영국, 및 기타 국가의 증권사 비교 자료가 있습니다.

개별 기업 대신 배터리 관련 ETF를 검토할 수도 있습니다. 예를 들면 Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X의 Lithium & Battery Tech ETF (LIT)및 WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF 등이 있습니다. 구성 종목과 비용, 투자 범위는 펀드마다 다르며 분산투자가 손실 위험을 없애지는 않습니다.