전고체 배터리는 차세대 배터리로 가장 유망한 미래차 부품으로 꼽힌다. 상용화를 위해 해결해야할 기술적 난제가 있지만 지금의 리튬이온 배터리를 대체할 가능성이 높다.

전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질이 액체가 아닌 고체로 대체한다. 현재 사용중인 리튬 이온 배터리와 비교해 안정성, 고에너지 밀도, 고출력, 장수명 등 성능 개선을 이뤄낼 수 있다. 제조공정 단순화, 전지 대형화 및 콤팩트화, 저가화 등도 유리하다.

전고체 배터리에 두각을 나타내는 곳은 일본의 '토요타'다. 전고체 배터리 해외 특허는 약 2300여개에 달하는 데 대부분이 일본 특허이며 토요타가 보유하고 있다.

토요타는 2011년부터 전고체 배터리 개발에 착수, 2022년 상용화하겠다고 밝힌 바 있지만, 실제 상용화까지는 몇년 더 걸릴 수 있다는 게 배터리 업계 공통된 의견이다. 그만큼 어려운 기술이다.

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<삼성전자 종합기술원의 전고체전지 기술. 리튬이온 전지는 물론이고, 기존 전고체전지 기술보다 부피를 더 줄이고 안정성을 높인 것이 특징이다.>

토요타는 전고체 배터리를 통해 배터리팩 체적에너지밀도를 기존 전기차(EV)용 리튬 이온 배터리 두배 이상으로 개선하고, 급속충전 속도를 3분의 1수준으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 일반적으로 전고체 배터리는 음극소재로 '리튬 금속'이 사용된다. 하지만 리튬 금속은 전고체 배터리 수명과 안전성을 낮추는 '덴드라이트' 문제를 해결해야 하는 기술적 난제가 있다. 덴트라이트는 배터리를 충전할 때 리튬이 음극 표면에 적체돼, 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체다. 이 결정체가 배터리 분리막을 훼손해 수명과 안전성이 부정적 영향을 미친다. 덴트라이트 문제 해결이 전고체 배터리 상용화를 위한 최대 과제라는 설명이다.

삼성도 삼성SDI와 삼성종합기술연구원 등을 통해 전고체 배터리 상용화를 준비 중이다. 종합기술연구원은 덴트라이트 문제해결을 위해 '석출형 리튬 음극 기술'을 세계 최초로 개발했다. 전고체 배터리 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층을 적용한 형태다. 이를 통해 전고체 배터리 안전성과 수명을 늘리고, 기존보다 배터리 음극 두께를 얇게 만들어 에너지밀도를 높일 수 있어 크기도 리튬이온 전지 절반 크기로 줄일 수 있다.

박태준기자 gaius@etnews.com, 박진형기자 jin@etnews.com