전고체 배터리란? 전고체배터리 관련주 ,포스코퓨처엠,레이크머티리얼즈,이수화학

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꿈의 배터리라고 불리는 전고체배터리에 대해 알아봅시다

전고체 배터리란 무엇일까?

(출처 : 삼성 sdi)

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성됩니다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있습니다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리입니다. 

 

리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 구조

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 있습니다.

리튬이온 배터리를 사용함에 있어 사용자들이 가장 우려하는 부분은 바로 안전성입니다. 현재의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시의 위험성이 존재합니다. 그래서 안전성을 높이기 위한 부품이나 장치들이 필요합니다.

이에 반해 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있습니다.

전고체용 배터리 개발해야 하는 이유

전고체 배터리가 필요한 이유는 무엇일까요? 그것은 바로 전기차용 배터리 용량을 높여야 하기 때문입니다. 

많은 시장조사기관에서는 앞으로 전기차가 내연기관차를 대체해 자동차업계의 주류로 성장할 것이라고 예측하고 있습니다. 그리고 전기차가 확실한 대세가 되기 위해서는 현재의 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하고, 이를 위해 핵심부품인 전기차용 배터리 용량을 증가시키는 것이 무엇보다 중요합니다.

배터리의 용량을 늘리는 방법은 두 가지가 있는데 첫 번째는 배터리의 개수를 늘리는 것입니다. 하지만 이 경우는 배터리 가격 상승과 공간 효율성을 저해시키기 때문에 실현하기 어렵습니다.

전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높습니다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채웠기 때문입니다.

전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤입니다.

[리튬이온배터리(좌)에 비해 동일 용량에도 크기를 줄인 전고체 배터리(우)]

삼성 SDI는 전고체 배터리 개발에 집중하고 있습니다. 자체 개발 프로젝트 외에도 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력해 전고체 배터리 기술을 공동으로 개발하고 있습니다. 

삼성SDI는 지난 2013년부터 모터쇼나 배터리 관련 전시회에서 중장기 전고체 배터리 기술들을 선보이고 있으며, 현재는 요소기술 개발단계로 상용화를 위해 개발에 매진하고 있습니다. 그리고 2분기 컨퍼런스콜에서 "검증된 소재 기술과 고체 전해질 등 독자적으로 개발한 신규 소재를 접목하여 고에너지밀도, 고안전성 전지 개발 가능성을 확인했다"며 차세대 배터리에 대한 자신감을 드러낸 바 있습니다.

한편 지난 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 주행거리 800km, 1,000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개하기도 했습니다. 전고체 배터리의 수명과 안전성을 높이면서도 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 담고 있는 이 연구내용은 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재되기도 했습니다.

  

즉 전고체전지는, 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌 고체로 만든 제품이며 불연성 고체사용으로 화재위험이 없고 냉각 장치등이 따로 필요하지 않아 고용량화, 소형화, 형태다변화 등이 가능한 것입니다.

그래서 배터리 무게를 가볍게 하고, 남게 된 공간에 양극활물질을 추가해서 에너지 밀도를 높이는 것입니다

전고체전지는 크게 3가지 계열로 나뉩니다. 황화물계, 산화물계, 고분자계입니다

황화물계는 높은 이온전도, 양산 적합성 등이 강점입니다. 다만 수분에 취약하고 기술장벽, 단가등이 단점입니다

산화물계는 안전성에 우위가 있습니다. 대신 연성이 부족해 전해질과 전극 간 접촉이 쉽지 않은 점이 있습니다. 고분자계는 기존 양산 공정을 적용할 수 있는 것이 특징입니다. 가장 먼저 상용화가 이뤄질 것으로 보이나 이온전도가 낮은 부분이 치명적입니다

삼성 SDI는 2027년 상업생산이 가능할 것으로 보고 있으며 전고체 배터리 양산을 위해 경기 수원사업장에 라인(s라인) 파일럿 라인의 완공을 앞두고 있으며 하반기부터 샘플 생산을 시작할 계획입니다. 전고체전지 분야에서 선두주자이며 지난 3월에는 국내 최대 배터리 전시회 인터배터리 2023에서 전고체전지 모형을 공개하면서 관람객의 이목을 끌기도 했습니다.

인지우 삼성SDI 그룹장 : 2025년 대형 셀 생산기술을 개발해 2027년 대량생산 체계가 마련될 것입니다, 전고체전지에 대한 스터디는 끝났습니다. 황화물(설파이드)계로 가기로 했으며 나머지는 안 하는 쪽으로 결정했습니다 우리가 가진 니켈, 하이니켈, 코발트, 알루미늄(NCA) 양극재 기반으로 전고체 전지 에너지밀도를 극대화할 수 있습니다. 고체전해질 밑에 특수층을 깔아서 리튬덴드라이트를 막도록 했습니다라고 설명했습니다 덴드라이트란 배터리충전 시 리튬이온이 음극으로 이동해 표면에서 리튬금속으로 저장되는 과정에서 나뭇가지 형태 결정으로 형성되는 것을 의미합니다. 결과적으로 전극 부피를 팽창시켜 화재, 성능 저하를 유발합니다. 삼성 SDI는 전고체전지 전극 단계에서 습식과 건식 투트랙 전략으로 나아갑니다. 각각 액체 슬러리와 고체필름 기반으로 전극을 만듭니다. 2가지 모두 대응을 하고 있으나 빠르게 대량 생산하는데 기존 습식도 나쁘지 않다고 봅니다라고 이야기 했습니다.

 

SK온은 2028년 상업생산을 목표로 두고 있으며 인터배터리에서 전고체배터리 시제품의 전 단계인 개발품 모형을 전시하기도 했습니다.

LG에너지설루션은 전고체배터리에 대해 2030년 이후 상용화를 목표로 하고 있습니다 국내 배터리 1위 회사이며 고분자계와 황화물계 전고체 전지를 동시에 연구 중입니다. 트렌드에 맞춰 개발에 착수했습니다. 

장학진 LG에너지 솔루션 팀장: 전고체전지는 2030년까지도 상용화가 힘들 것 같습니다. 리튬이온배터리 대비 가격경쟁력등을 확보하기 어렵습니다. 가장 열심히 한 도요타도 지난해부터 쉽지 않다고 시인하고 있습니다고 설명했습니다.

최영민 LG화학 전무: 전고체전지가 나오더라도 전기차에 바로 투입되지 않을 것으로 봤습니다. 처음으로 전기차로 오지는 않을 것 같습니다. 소형전지나 ESS 등 다른 응용처에 레퍼런스를 쌓고 전기차 쪽으로 넘어오는 것이 일반적인 그림입니다라고 설명했습니다. 

또한 이 3 배터리 사는 2025년부터 폐배터리 리사이클 사업도 할 예정입니다

포스코퓨처엠은 배터리 핵심소재인 양극재를 공급하는 회사로 2025년까지 차세대 양극재인 LFP, NMX, 코발트프리 양극재를 상업화할 계획입니다

남상철 포항산업과학연구원 LIB소재연구그룹장: 현재 포스코퓨처엠은 NCM, 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄(NCMA) 양극재를 생산하고 있고, 연구소는 차세대 양극재를 열심히 개발 중입니다 양극재의 경우 2018년까지 진전이 없다가 그 이후부터 매출과 세일즈 볼륨에서 크게 늘어나는 모습을 보였습니다. 올해 양극재 부문 매출이 급격히 늘 것입니다라고 설명했습니다

 

이수화학은 KETI와 국책과제를 통해 황화리튬과 황화물계 고체 전해질을 개발하고 있으며 황화리튬은 이수화학의 황화수소 핸들링 기술이 적용되었습니다. 이수화학은 황화수소 핸들링 기반기술을 적용하면 시중 가격 대비 저가의 황화리튬 생산이 가능할 것으로 보고 있습니다. 이수화학만의 독자적인 기술을 활용해 성과를 거둔 저가화 황화리튬 제조기술과 KETI의 황화물계 고체 전해질 합성 기술이 토대가 되면 황화물계 전고체 배터리 상용화 속도도 한층 속도를 낼 것이라고 했습니다.

이수화학의 황화리튬