매력적인 전기차
도로를 질주하는 차량들 사이에서 돋보이게 지나가는 전기차들이 눈에 많이 띌수록, 자동차 업계의 변화가 매우 빠르다는 생각을 합니다. 시대의 흐름에 따라 변화하는 것은 당연한 이치이지만, 아직 전기차를 구매하기란 시기상조라고 보는 여론도 있기 때문입니다. 무엇보다 화재로 인한 폭발 사고 위험에 노출되어 목숨을 잃는 사례가 발생되다 보니 혹시 하는 마음에 망설임은 더욱 커지게 됩니다. 그러나 전기차의 안정성이 해결된다면 이야기는 달라질 수 있습니다. 전기차 구매를 할 때 정부에서 주는 보조금을 통하여 구입하면 비용적인 측면도 많이 절약 되고, 무엇보다 유지비 측면에서는 기존의 내연기관에 비해 월등히 좋기 때문입니다. 거기에 더하여 안정성도 강화되어 개선이 된다면 더 이상의 망설임은 신차 구매를 앞당기는 설렘으로 바뀔 수 있습니다. 최근 전기차 배터리 업계에 희망적인 결과들이 속속들이 나오고 있습니다. 그 이유는 바로 전고체배터리 덕분입니다. 이제 내연기관 차를 구매해야 할 뚜렷한 이유가 조금씩 사그라들고 있는 시대가 되었습니다. 앞으로는 기후변화에 대응하기 위하여 각 나라들마다 환경적인 규제가 더욱 심화될 것이고, 그 대안으로 전기차의 수요는 폭증할 것으로 보고 있습니다. 무엇보다 전기차 생산 기업들은 안정성과 성능이 뛰어나며, 경쟁력이 있는 전고체배터리를 탑재한 차량을 선보이게 될 것으로 보입니다.
전고체배터리 란?
전고체 배터리는 차세대 배터리 기술로 기존 리튬 이온 배터리의 한계를 극복하고, 안정성, 에너지 밀도, 수명 등을 획기적으로 개선할 수 있는 가능성을 가진 배터리입니다. 기존의 배터리는 전해질이 액체로 이루어져 있어서 불안정성을 가지고 있었습니다. 주로 가연성이 있어서 화재 혹은 폭발 위험에 따른 안정성 문제가 있습니다. 이점을 개선하여 대안으로서 기존의 액체였던 전해질을 고체로 대체하여 나오게 된 것 입니다. 배터리 내부 리튬 이온의 전도성을 잘 유지하면서 안정성과 내구성이 뛰어나면서도 불에 타지 않고, 누액의 위험이 전혀 없어 화재나 폭발 위험을 크게 줄일 수 있습니다. 즉, 기존 액체 전해질을 사용하던 리튬 이온 배터리의 단점들을 보완하여 발전시킨 형태의 배터리입니다. 리튬 금속 음극을 사용할 수 있어 기존보다 2배 이상의 에너지 밀도를 제공할 수 있는 장점 또한 가지고 있습니다.
핵심 기술의 현황
1) 고체 전해질
가장 두드러지는 기술의 핵심 중 하나는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다는 점입니다. 기술적으로 가장 어렵고 난해한 부분이 바로 이 부분입니다. 전해질은 다양한 물질로 사용이 가능하지만, 각 물질의 이온 전도도, 안정성, 제조 비용 등을 고려해야 하기 때문에, 결코 쉽지 않은 도전으로 보고 있습니다. 전도도 부분만 보더라도 액체 전해질보다 이온 전도도가 낮아 성능이 떨어지는 경우가 발생할 수 있습니다. 이온전도도란? 물질이 이온을 얼마나 잘 이동시키는지를 나타내는 물리적 성질을 말합니다. 최근 연구를 통해 이를 높일 수 있는 기술이 발전하고 있습니다. 안정성 부분은 낮은 온도 문제로 인한 성능 저하를 어떻게 극복하는지가 관건입니다. 제조 비용 적인 측면에서는 상용화와 연결을 해서 생각해 볼 필요가 있습니다. 균일한 성능을 낼 수 있도록 제조하는 것이 굉장히 까다로워 생산 비용이 높아지는 문제가 있습니다. 무엇보다 전극 재료의 호환성 문제도 중요하게 작용이 되어서 전극과 전해질 간의 상호작용을 최소화하고, 전류가 원활히 흐를 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있습니다. 일반적으로 황화물 기반, 산화물 기반, 인산염 기반의 전해질을 사용하고 있고, 상용화로 연결하기 위한 개발이 이루어지고 있습니다. 황화물 기반 전해질은 전도성이 좋고 상온에서도 사용할 수 있으나, 공기 중에서 습기에 민감하고 안정성에 문제가 있습니다. 산화물 기반 전해질은 안정성이 높고 고온에서 잘 작동하는 특성을 가지고 있지만, 전도성이 상대적으로 낮고 제조가 어렵습니다. 인산염 기반 전해질은 고온에서도 안정적이고 전도성이 좋은 특성을 지니지만, 특정한 합성 방법이 필요합니다. 상용화를 이루기 위해 대량 생산할 수 있는 공정의 개발이 이루어지고 있으나, 아직까지 대량 생산을 하기에는 극복해야 할 과제들이 많고 어려움이 따르고 있습니다.
2) 리튬 금속 음극
리튬 금속 음극은 전고체 배터리 및 차세대 리튬 이온 배터리에서 매우 중요한 기술적 혁신으로 주목받고 있는 분야입니다. 기존의 흑연 음극보다 에너지 밀도가 높고, 배터리 성능을 크게 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 방전 시 양극에서 리튬 이온이 방출되고, 리튬 이온은 음극으로 이동을 할 때 이온을 받아들인 리튬 이온이 금속 형태로 저장을 합니다. 충전 시 음극에서는 리튬 이온이 금속 상태에서 다시 리튬 이온 상태로 변환되어 이동을 하는 작동 원리를 이용하는 것이 주요 특징입니다. 이 기술의 잠재력은 흑연 음극을 사용할 때 보다 에너지 밀도 차원에서 약 3배 정도로 매우 높습니다. 이는 같은 부피나 무게의 배터리로 더 긴 주행 거리 또는 더 많은 에너지 저장 능력을 가질 수 있는 가능성을 만들게 됩니다. 무엇보다 배터리의 수명을 크게 개선할 수 있습니다. 그래서, 이를 상용화하면 전체 배터리 성능 향상과 효율성 증가로 이어져 다양한 산업에서 상당한 비용 절감 효과를 불러올 수 있습니다. 반면, 전극과 전해질 간의 반응 문제와 생산 공정 최적화 등이 주요 장애물로 나타나고 있습니다. 특히, 덴드라이트 형성이 가장 큰 문제입니다. 덴드라이트는 리튬 이온이 음극 표면에서 불균일하게 석출 되어 나무의 가지처럼 성장하는 구조를 말하는데, 배터리 내부에서 단락을 일으킬 수 있으며, 배터리의 성능 저하, 수명 단축, 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다. 또한, 불안정한 인터페이스로 인해 상호작용의 불안정을 초래할 수 있습니다. 리튬은 반응성이 강한 금속으로, 전해질과의 화학적 반응이 일어날 수 있습니다. 이로 인해 리튬 금속 음극과 전해질 간의 불안정한 화합물이 생성되거나, 저항 등이 발생할 수 있습니다. 그리고 리튬 금속은 충전 및 방전 과정에서 부피의 변화가 큰 특성을 갖고 있습니다. 리튬이 충전되면서 금속 상태로 석출 되는 과정 중 방전이 될 때 리튬 이온 형태로 되돌아가면서 부피가 변화합니다. 해결해야 할 과제들이 많지만 그 가능성은 매우 높기에 각 기업들이 경쟁적으로 기술 개발을 완료하여 선재적으로 상용화를 이끌고자 노력하고 있는 기술 분야입니다.
경제적 가치
전고체 배터리의 장기적인 경제적 가치는 크게 전기차 시장과 에너지 저장 시스템의 시장(ESS)의 영향을 받을 것으로 예측하고 있습니다. 현재, 전 세계적으로 전기차와 배터리 시장은 빠르게 성장하고 있으며, 전고체 배터리가 상용화되면 더욱 큰 성장을 이끌어 갈 것으로 보입니다. 전기차 시장에서는 가장 큰 기회를 맞이할 분야로 평가하고 있습니다. 전고체 배터리를 장착할 시 현재 일반 리튬 이온 배터리의 비용의 2배 정도의 비용이 발생할 수 있지만, 장기적인 관점에서는 많은 장점을 갖고 있어서 충분한 경쟁력을 가질 것으로 예측하고 있습니다. 2030년까지 전 세계 전기차 시장은 약 1,000 억 달러 이상의 규모로 성장할 것으로 예측할 수 있으며, 전고체 배터리가 차지할 비중은 점차 높아질 전망입니다. 특히, 전기차 배터리의 수명과 충전 안전성이 중요한 요소로 작용하면서 전고체 배터리의 시장 잠재력은 2025년부터 2030년 사이에 본격적으로 상용화가 이루어질 것이며, 약 100억 달러 이상의 시장을 형성할 것으로 예상됩니다. 또한, 에너지 저장 시스템 시장(ESS)에서도 잠재력은 클 것으로 보입니다. ESS는 대규모 에너지 저장 장치로 전력망의 안정성을 높이고, 재생 가능 에너지의 효율성을 극대화하는데 중요한 역할을 합니다. 전고체 배터리는 안전성과 긴 수명을 제공하여 ESS시스템에 적용하여 사용하기에 적합합니다. 글로벌 ESS시장은 2025년까지 350억 달러를 초과할 것으로 예상되고 있습니다. 기술적 난제를 해결하고 상용화하여 대량생산의 성과를 올리게 된다면 지금의(10,000~20,000만 달러) 절반 수준의 가격을 형성하게 되어 경제적으로 매우 큰 효과를 얻을 수 있습니다. 긴 수명과 안정성에 힘입어 배터리의 교체주기와 비용 등을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 소형 전자기기에도 탑재하여 얻을 가치는 기업에게는 공급량의 변화로 얻을 부수적인 이익으로 볼 수 있습니다.