전고체 전지

전고체 전지(全固體電池, Solid-state battery)는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리다.

역사

전고체 배터리 개념은 1980년대 처음 제시됐으나 한동안 빛을 보지 못했다. 그러다 일본 도요타가 2010년 황화물 전해질을 사용한 배터리 시제품을 공개한 뒤로 연구가 눈에 띄게 늘었다. 현재는 소재 후보군으로 황화물과 산화물, 고분자 3종이 발굴됐다. 이 가운데 황화물 소재는 가장 앞서 나간다. 일본은 전고체 배터리 연구에서 가장 앞서나가는 국가로 손꼽힌다. 일본에선 주로 황화물 연구가 주를 이룬다.

1991년 일본 소니가 첫 개발해 상용화한 리튬 이온 전지를 대체할 차세대 2차전지로는 리튬에어 전지, 리튬메탈 전지, 리튬황 전지, 전고체 전지가 있다. 그 중에서 전고체 전지를 탑재한 전기차를 2022년 도요타가 출시할 계획이다. 한국은 2025년 전고체 전지를 상용화할 계획이다.

전세계 전기차용 전고체 전지 시장이 2030년 최대 100조원 규모로 급성장할 것으로 관측되고 있다.

도요타는 전고체 전지를 사용하면 출력과 전기저장량이 액체 전지보다 2배 이상 늘어날 것으로 보고 있다.

도요타, 다이슨, 포르셰 등 글로벌 2차전지 수요기업이 전고체 전지 사용화 계획을 연이어 발표하고 있다.

충전하는데 몇 시간씩 걸리는 리튬 이온 전지에 비해 전고체 전지는 불과 5분이면 80% 충전이 가능하다. 주행거리도 리튬이온전지의 2배 이상에 달한다. 기존의 가솔린, 경유 차량의 주유소 급유시간이 5분이다.

2012년~2014년 도요타가 출원한 차세대 전지 관련 특허의 68%는 전고체 전지 분야다. 200명의 개발인력을 전고체 전지 개발에 투입하고 있다.

리튬 이온 전지에 비해 가격이 1/3이다.

SNE리서치에 따르면 전고체 배터리를 탑재한 전기차 비율은 2024년 2%에서 2030년 10%로 증가할 전망이다. 글로벌 조사 업체 Allied market research는 2017년 633억원이었던 글로벌 전고체 배터리 시장이 2025년 1조6820억원으로 확대한다고 예측했다. 일본 시장조사업체 후지경제는 2035년 전고체 배터리 시장규모가 32조6000억원에 이를 것으로 내다 봤다.

일본

1991년 일본 소니는 니켈 카드뮴 전지보다 에너지 밀도가 두 배 높고 충전이 간편한 2차 전지를 선보였다. 이 전지는 핸드폰, 노트북과 같은 전자 제품에서부터 자동차에까지 적용되며 전 세계적인 사랑을 받았다. 대표적인 2차 전지로 꼽히는 리튬이온 전지 얘기다. 2019년 기준으로, 리튬이온 전지가 등장한 지 28년이 흘렀다.

기존 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 255Wh/kg 수준이다. 반면 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/kg까지 에너지 밀도가 올라간다. 일본은 2015년까지 전지 양극재료와 음극재료 혁신을 통해 에너지밀도가 전보다 두 배나 높은 2세대 리튬이온 전지를 개발할 계획이다.

에너지 밀도가 더 높아지면 2차전지를 더 작게 만들 수 있다.

일본의 파나소닉은 도요타와 지난 4월 배터리 합작사를 세웠다. 파나소닉-도요타 연합은 꿈의 배터리라 불리는 '전고체 배터리' 기술을 선도하는 업체다. 전 세계에서 전고체 배터리 관련 특허를 40%가량 보유하고 있다.

기술력이 가장 앞서 있다고 평가받는 일본 도요타는 대규모 민관 컨소시엄을 구성해 총 17조원을 투자, 오는 2022년에 생산할 계획이다.

중국
2018년 11월 26일, 중국 칭다오에너지디벨로프먼트가 최근 10억위안(약 1600억원)을 투자해 장쑤성 쿤산시에 전고체 전지 양산 라인을 구축, 양산에 들어갔다. 세계 최초의 전고체 전지 양산 공장이다.

이 분야를 선도하고 있는 일본은 2021년 양산 공장을 가동할 계획이다. 한국은 2025년 계획이다.

칭다오에너지는 최신 리튬이온 배터리 셀 에너지 밀도가 kg당 250~300Wh 수준인 것과 비교, 자사가 양산하는 전고체 전지는 kg당 400Wh 이상 에너지 밀도를 달성했다고 주장했다. 같은 차량 무게일 경우 더 많은 배터리 탑재가 가능하다는 의미이다.

그러나, 칭다오에너지의 양산이 상용화라기 보다는 연구 성과 수준이라는 견해가 많다. 한국의 배터리 기업들의 연 생산규모는 칭다오에너지의 180배에 달할정도로 소규모 파일럿 생산에 가깝다는 것이다.

대한민국
2018년 3월 19일, 국책연구기관인 산업연구원(KIET)은 전고체전지의 양산 시점이 전기자동차 보급의 전환점이 될 것이라는 전망을 내놓았다. 한국의 자동차 업계에서는 이 시점을 2025년으로 본다.

2019년 6월 17일, 한국생산기술연구원은 김호성 박사(제주지역본부장) 연구팀이 폭발 및 화재 위험을 없애면서 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 '바이폴라 구조의 전고체전지' 제조 기술을 개발했다고 밝혔다. 에너지밀도는 약 445Wh/L 수준이다.

상용화 시점이 일본보다 7~8년 늦은 2030년으로 예상되고 있다. 오는 2030년이 되면 글로벌 신차 중 절반이 전기차일 것이라는 관측이 나온다.

미국

2017년 11월 15일, 전기차 벤처기업 피스커의 CEO 헨릭 피스커는 리튬 이온 전지가 아닌 전고체 전지 기술을 개발해 1분 이내 충전으로 800 km를 달릴 수 있는 전기차 개발에 성공했다고 밝혔다. 헨릭 피스커는 테슬라 창업에 영감을 준 것으로 유명하다. 2023년 전고체 전지 전기차 모델을 판매할 계획이다..

2019년 1월, 세계 최고 전기차 기업 테슬라가 배터리 명가 맥스웰 테크놀로지를 2억1800만달러(약 2439억원)에 인수했다. 수 년 동안 인수설 소문이 있었다. 그동안 테슬라에 독점적으로 전기차 배터리를 공급했던 일본 파나소닉 배터리에는 비상이 걸렸다. 맥스웰 테크놀로지는 1965년 세워진 배터리 회사로 본사를 미국 샌디에이고에 두고 있다. 테슬라 전기차 공장과 함께 샌프란시스코 베이에어리어에 위치한다. 맥스웰 테크놀로지 배터리 고객으로는 제너럴 모터스(GM)와 람보르기니가 있다. 최근 맥스웰 테크놀로지는 에너지 밀도 300 Wh의 전고체 전지를 개발했다.

잠수함

기존의 디젤잠수함은 하루에 2-3회 수면으로 부상하여 스노클 항해를 3-4시간씩 해서 납축전지를 충전해야만 했다. 최근 납축전지 대신 리튬 이온 전지를 탑재하여, 스노클 항해를 거의 하지 않는 리튬잠수함이 등장했다. 이를 다시 전고체 전지로 교체하면 잠수함의 성능이 매우 개선될 것으로 예상된다. 수소차의 수소연료를 이용한 발전을 하면, 매우 짧은 5분 동안의 스노클 항해시에도 소음이 발생하는 디젤엔진이 아닌 수소엔진을 사용하여, 잠수함 소음을 사실상 완전히 없앨 수 있다.
납축전지, 충전시간 8시간
 리튬 이온 전지, 납축전지의 2배 용량, 충전시간 30분, 1991년 소니 개발, 소류급 잠수함
전고체 전지, 리튬 이온 전지의 2배 용량, 충전시간 5분, 2021년 도요타 개발
 리튬황 전지, 전고체 전지의 2배 용량, 2030년 상용화

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 리튬황 전지

각주 

물리학
전지