전기차 배터리, 액체→고체로 바뀐다···탄소발자국 감소 효과도

[이넷뉴스] 고체 상태 배터리는 자동차, 모바일 장치 및 기타 응용 분야의 미래 사용을 위해 연구되고 있다. 액체 기반 전해질을 사용하는 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 안전한 것으로 간주된다.

우리는 일상 생활에서 사용하는 장치에 전원을 공급하기 위해 배터리에 의존한다. 휴대전화, 전기 자동차, 노트북, 태블릿, 심지어 재생 에너지 저장 솔루션은 충전식 배터리를 활용하는 장치의 몇 가지 예에 불과하다.

오늘날 가장 많이 사용되는 배터리는 소비자 등급 리튬 이온이다. 몇 시간 안에 충전을 완료할 수 있으며 30년 전에 시장에 출시된 이후로 디자인이 크게 변경되지 않았다. 

◇ 고체 충전식 배터리 도입

엔지니어들은 이제 고체 충전식 배터리의 도입으로 이러한 개념을 바꾸려고 하고 있다. 이 새로운 기술에 뛰어들기 전, 리튬 이온 배터리가 무엇이며 어떻게 작동하는지 더 잘 이해해야 한다.

리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 방전 중에는 전해질을 통해 양극으로 이동하고 충전 중에는 뒤로 이동할 수 있도록 하는 셀로 구성된 충전식 배터리 유형이다. 전지 자체는 양극에서 재료로 삽입(적층 또는 층상) 리튬 화합물을 사용하고 음극에서 흑연 또는 탄소를 사용한다. 애노드와 캐소드를 분리하는 것은 주로 유기 용매에 리튬염으로 구성된 액체 기반 전해질이다.

양극의 리튬 원자는 방전 사이클 동안 이온화되고 전자로부터 분리된다. 리튬 이온은 양극에서 이동해 음극에 도달할 때까지 전해질을 통과해 전자와 재결합해 전기적으로 중화된다. 작은 이온은 양극과 음극 사이의 미세 투과성 분리기를 통과할 만큼 충분히 작다. 

리튬은 크기가 작기 때문에 리튬 이온 배터리는 단위 질량 및 단위 부피당 매우 높은 전압과 전하 저장 능력을 가질 수 있다. 상대적으로 작은 패키지에 많은 에너지를 담을 수 있다. 또한, 리튬 이온 배터리 셀은 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 또는 니켈-금속 수소화물(Ni-MH)와 같은 기술보다 3배 높은 최대 3.6볼트(V)를 제공할 수 있다. 

◇ 왜 고체배터리로 바뀌어야 하나

이것은 그들이 고전력 애플리케이션을 위해 엄청난 양의 전류를 전달할 수 있고, 상대적으로 유지 보수가 적으며 배터리 수명을 유지하기 위해 예정된 사이클링이 필요하지 않다는 것을 의미한다. 그러나 리튬이온 배터리는 발열이 크고 가연성 전해질로 인해 물리적 손상이 있을 경우 폭발 및 발화하는 경향이 있는 등 여러 가지 단점이 있다. 

이러한 위험 때문에 테스트 표준은 산성 전해질 배터리에 대한 표준보다 더 엄격하며 잠재적인 결함을 근절하기 위해 설계된 더 포괄적인 테스트 조건과 추가 배터리별 테스트가 필요하다.

고체 배터리는 세라믹(산화물, 황화물 등), 폴리머 및 유리와 같은 고체 전해질을 사용해 안전성과 에너지 밀도를 높인다. 이름에서 알 수 있듯이 고체 배터리는 액체 대신 고체 전극과 전해질을 사용한다. 이 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리로 작동한다. 재료 모형, 특히 전해질만 변경됐다. 

이 경우 산화물, 황화물, 유리 및 리튬 오르토실리케이트를 포함한 세라믹을 사용해 더 큰 안전성, 안정성 및 에너지 밀도를 제공한다. 고체 상태 전해질은 또한 고체 및 복합 중합체, 심지어 겔 중합체를 포함하는 비전통적인 재료를 사용해 설계됐다.

고체 배터리의 음극은 리튬 이온 배터리에서 볼 수 있는 리튬 기반 설계를 유지하지만 양극은 재료가 다를 수 있고 사용되는 전해질의 영향을 받을 수 있다. 여기에는 인듐, 실리콘, 유리, 합금, 그래핀 등이 포함된다. 앞서 언급했듯 고체 상태 전해질이 있는 배터리는 리튬 이온 기반 설계와 거의 동일하게 작동한다. 

전지가 충전될 때 리튬 입자는 분리기를 형성하는 원자 구조를 통해 음극에서 이동한 다음 분리기와 양극의 전기 접점 사이를 이동해 순수한 리튬의 고체 층을 생성한다. 이러한 방식으로 양극은 리튬 입자로만 형성되며 흑연 구조를 포함하는 리튬 이온 기반 음극보다 부피가 작다.

고체 상태 전해질 설계의 이점은 적어도 이론상으로는 많이 있으며 이온 전도성 증가, 체적 에너지 밀도 증가, 긴 주기 수명 및 열적, 기계적 및 전기기계적 안정성 증가를 포함한다. 또한, 재활용이 더 쉬워 탄소 발자국을 줄인다.

솔리드 스테이트 배터리는 미래형 기술로 인식되고 있지만 심장 박동기, 전자태그(RFID) 칩, 웨어러블 장치 및 기타 소형 장치에 전력을 공급하는 데 사용됐다. 그렇지만, 솔리드 스테이트 배터리는 제조 비용이 더 비싸고 확장이 어렵기 때문에 비용을 포함해 상당한 도전 과제를 안고 있다. 또한, 리튬 금속 음극의 두께가 충전 시 증가하고 방전 시 감소해 수명이 단축되기 때문에 기존 배터리보다 열화 속도가 더 빠르다. 

분리기는 이온 원자가 양극에서 음극으로 이동할 수 있도록 고온에서만 효율적으로 작동할 수 있기 때문에 또 다른 문제다. 이는 액체 전해질로 쉽게 수행된다. 셀 층 사이의 열악한 전도는 배터리의 수명 주기를 단축시켜 재충전 기능을 제한한다. 전고체 전지는 아직 개발 단계에 있으며 광범위한 응용 분야에 사용되기까지는 시간이 걸리겠지만 가까운 장래에 실용화될 것으로 예상된다. 

과학자와 엔지니어는 오늘날의 전통적인 리튬 이온 배터리와 거의 동일한 방식으로 모바일 장치와 자동차에서 그리드 에너지 저장 솔루션에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 고체 배터리를 상상하고 있다.

[이넷뉴스=박민호 기자] dducksoi22@enetnews.co.kr