[아롱 테크] 완충하면 900km 달리는 꿈의 전기차 '전고체 배터리' 언제?

[오토헤럴드=김아롱 칼럼니스트] 전기차 배터리는 전기차의 성능과 주행거리를 좌우하는 핵심부품입니다. 뿐만 아니라 높은 에너지밀도와 충·방전효율뿐 아니라 내구성, 안전성, 친환경성까지 다양한 성능이 요구되고 있는데요. 최근 자동차업계는 기존 리튬이온배터리를 대체할 새로운 전고체 배터리의 양산화를 서두르고 있습니다. 

전기차에 사용되고 있는 리튬이온배터리를 비롯해 내연기관차는 물론 전기차에도 흔히 쓰이고 있는 12V 배터리와 같은 모든 종류의 배터리는 양극과 음극 사이에 전해액(혹은 전해질이라고도 합니다)이라 불리는 액체성분을 적용하고 있습니다.

배터리는 화학에너지를 전기에너지로 변환하고 저장하는 장치로 양극에서 음극으로 전자와 이온이 이동하면서 전기에너지를 발생시킵니다. 즉 배터리가 충전되거나 방전될 때 서로 다른 화학물질로 구성된 양극재와 음극재가 전해액이라는 전기전도체 사이에서 화학반응을 일으키는데요.

배터리가 외부의 전원공급장치에 전원을 공급(방전)할 때는 양극에서 전자이온을 방출하고 음극에서 이를 받아들이는 과정에서 전자가 배터리 외부로 빠져나가면서 전기에너지로 변환됩니다. 반대로 충전(외부 전원을 배터리에 연결)할 경우에는 음극에서 전자를 방출하고 양극에서 전자를 받아들입니다.

전해액은 양극과 음극 사이에서 전자이온(전하)을 이동시키고 화학반응을 통해 전기에너지를 생성하고 저장하는 역할을 합니다. 배터리 내부에서 전기이온의 흐름을 조절하고 화학반응을 촉진해 전력을 공급함은 물론 배터리의 안전성과 성능을 향상시켜 주는 역할도 하고 있지요.

전고체 배터리(Solid-State Battery)란 이러한 전해액 대신 고체성분이 전기-화학반응을 일으켜 전기를 생성하는 것이 특징입니다. 이 때문에 액체상태의 전해액보다 에너지밀도가 높고 내구수명이 길뿐 아니라 안정성이 뛰어난 것이 특징입니다.

에너지밀도는 단위부피나 단위중량당 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지를 나타내는 수치인데 같은 크기의 배터리라도 에너지밀도가 높을수록 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문에 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리를 늘릴 수가 있습니다.

또한 충전 및 방전효율이 높은 배터리는 충전할 때 많은 에너지를 저장하고 효율적인 방전을 통해 전기차의 주행거리와 성능을 극대화할 수 있지요.

현재 전기차 배터리 시장을 주도해 오고 있는 리튬이온배터리(리튬이온폴리머 배터리 포함)는 다른 배터리에 비해 에너지밀도가 높고 높은 충전효율과 빠른 충전속도를 가지고 있을 뿐 아니라 상대적으로 무게가 가볍우면서도 수명이 긴 것이 장점입니다.

반면, 배터리의 주재료와 제조비용이 비싸고 배터리의 온도에 따라 성능에 편차가 발생하고 시간이 지남에 따라 배터리용량이 줄어드는 단점이 있습니다. 특히, 최근에는 배터리 과열이나 과충전, 외부충격으로 인한 화재발생 및 열폭주 현상으로 안전성 문제가 화두로 떠오르고 있지요.

음극 및 양극소재에 일부 희소금속이 사용됨에 따라 소재확보의 어려움 및 원자재 가격 상승이 문제가 되고 있기도 합니다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리와 달리 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용함으로써, 안전성과 에너지밀도가 높고 충전용량과 수명을 향상시킬 수 있는 것이 특징입니다.

기존 리튬이온 배터리보다 에너지밀도가 2배이상 높고 충전시간도 훨씬 짧기 때문에, 1회 충전거리가 900km 이상으로 알려지고 있습니다. 리튬이온 배터리보다 같은 크기로도 두 배이상 주행거리를 늘릴 수 있고 무게 역시 리튬이온 배터리보다 훨씬 가볍습니다.

또한, 전고체 배터리는 고온 및 저온환경에서의 성능 및 안정성이 뛰어난 것 장점입니다. 특히 화학적 안정성이 뛰어나 리튬이온 배터리보다 열폭주로 인한 화재위험이 현저히 낮은 것으로 알려지고 있습니다.

이 때문에 수 년전부터 자동차회사와 배터리 회사가 전고체 배터리 개발에 심혈을 기울여 왔습니다. 하지만 고체 전해질을 통해 전자를 이동시키는 것이 쉽지 않습니다. 또 전기 이중층으로 불리는 EDL(Electric double Layer) 효과로 인해 높은 표면저항이 발생하고, 충방전을 반복할 경우 양극과 음극, 전해질 사이에 균열이 발생해 배터리 성능이 떨어지는 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔습니다.

자동차업계는 최근 이러한 기술적 문제가 해결기미를 보이면서 오는 2028년에서 2030년 쯤 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 선보일 수 있을 것으로 보입니다. 한 시장조사 전문기관은 “오는 2030년부터 2035년 사이에 럭셔리 세그먼트에서 전고체 배터리를 탑재한 전기차가 시장점유율을 차지하기 시작해, 점차 대중화될 것으로 보인다”라고 예측하고 있습니다. 

김아롱 칼럼니스트/webmaster@autoherald.co.kr