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전고체 전지

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목차

1. 개요

전고체 전지는 19세기부터 연구가 시작되어, 고체 전해질을 사용하여 액체 전해질 배터리의 안전성 문제를 해결하고 에너지 밀도를 높이는 것을 목표로 한다. 1990년대 LiPON 개발 이후 연구가 활발해졌으며, 2010년대 도요타 등 여러 기업이 상용화 계획을 발표하며 경쟁이 심화되고 있다. 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질, 복합형 전해질 등 다양한 종류가 있으며, 벌크형과 박막형으로 나뉜다. 높은 에너지 밀도, 안전성, 빠른 충전 속도, 긴 수명 등의 장점을 가지지만, 고체 전해질 개발, 계면 저항, 덴드라이트 형성, 제조 공정, 가격 경쟁력 확보 등의 과제를 안고 있다. 일본, 중국, 한국, 미국 등에서 전고체 전지 기술 개발 경쟁이 치열하며, 전기 자동차, 휴대용 전자기기, 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

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전고체 전지
개요
두 전극 사이에 고체 전해질이 있는 전고체 배터리
두 전극 사이에 고체 전해질이 있는 전고체 배터리
에너지 밀도 (무게당)박막형: 300–900 Wh/kg
저장 온도 범위6%ｰ85 °C (한 달)
충전-방전 사이클10,000-100,000 사이클
공칭 전압박막형: 4.6 V
충전 온도 범위-20 °C ~ 105 °C
방전 온도 범위-50 °C ~ 125 °C
설명
정의고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 배터리

2. 역사

마이클 패러데이가 1831년부터 1834년 사이에 고체 전해질인 황화은과 플루오린화 납(II)을 발견하면서 고체 이온 전도의 기초가 마련되었다.[159]

1950년대 후반에는 여러 전기화학 시스템에서 은 이온을 사용한 고체 전해질이 사용되었으나, 낮은 에너지 밀도와 셀 전압, 높은 내부 저항이라는 문제가 있었다.[160] 1990년대에 오크리지 국립 연구소에서 개발된 새로운 고체 전해질(LiPON)을 사용하여 박막 리튬 이온 배터리가 만들어졌다.[161]

2000년대에 들어 자동차 및 운송업체와 개발자들이 고체 배터리 기술에 대한 관심을 다시 높였다. 2011년, 프랑스의 운송 기업 Bolloré|보로레영어는 BlueCar|블루카영어라는 모델카를 출시했는데, 이 차는 리튬염을 공중합체(폴리옥시에틸렌)에 용해시킨 고분자 전해질을 사용한 30kWh의 금속 리튬 폴리머 배터리(LMP)를 탑재하여 고체 배터리의 선구적인 사례가 되었다.[162]

2011년, 도쿄공업대학 등의 연구 그룹은 리튬에 황과 게르마늄을 혼합하여 실온에서 리튬 이온이 고체 내에서 액체보다 빠르게 이동하는 "초이온 전도체"를 세계 최초로 발견했다. 2016년 1월에는 리튬 이온 2차 전지의 3배 이상의 출력 특성을 가진 황화물계 고체 전해질 개발에도 성공했다.[163]

2017년 11월, TDK는 세계 최초로 충전과 방전이 가능한 SMD용 전고체 배터리 "CeraCharge"를 발표했다. 2018년 4월부터 샘플 출하를 시작했고, 2019년 3월부터 월 3만 개 규모로 양산을 시작했다. 다른 일본 전자 부품 회사들도 잇따라 샘플 출하를 시작했다.[164][165] SMD용 전고체 배터리는 주로 콘덴서 용도이지만, 2019년은 전고체 배터리의 본격적인 양산이 시작된 해였다.

2019년 9월부터 맥셀은 황화물계 아르기로다이트형 고체 전해질을 사용한 SMD용 전고체 배터리의 샘플 출하를 시작했다. 2020년 11월에는 황화물계 고체 전해질과 바이폴라 전극을 사용한 고출력 코인형 전고체 배터리의 생산 설비를 오노 사업소(효고현 오노시)에 도입하여 2021년부터 양산을 시작했다.[166][167]

2020년 8월, 도요타는 전고체 배터리를 탑재한 차량으로 번호판을 취득하고 시험 주행을 실시했다.[168] BMW, 혼다, 현대자동차, 닛산 등 다른 전자 부품 회사들도 전고체 배터리 실용화를 위해 연구 개발을 가속화하고 있다.[169][170][171]

2021년 2월, 히타치 조선은 국제 우주 정거장에서 전고체 배터리의 실증 실험을 시작한다고 발표했다. 2022년 2월 19일에 발사된 시그너스 보급선 17호기를 통해 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)와 공동 개발 중인 전고체 배터리가 처음으로 우주로 운반되어 우주에서의 실증 실험을 실시했다. 전고체 배터리는 진공, 저온 환경에서도 성능을 발휘하기 때문에 인공 위성 등에 활용될 것으로 기대된다.[172][173]

2022년 5월부터 솔리드 파워(Solid Power)에 의한 콜로라도주에서의 황화물계 전고체 배터리의 시험적인 양산 라인이 가동되고 있다. 풀 가동 시 연간 약 15,000개 규모이다.[174] 출자사인 포드와 BMW와 생산 체제 구축을 위해 협력해 나갈 것이다. 2024년 1월에는 BMW에 EV용 전고체 배터리 샘플 납품을 시작했다고 발표했다.[175][176]

2022년 7월 19일, 중국의 배터리 회사 SVOLT가 황화물 기반 전고체 배터리에 의한 20Ah 셀을 개발했다고 발표했다. 이 셀은 350~400Wh/kg의 에너지 밀도를 실현했으며, 못 관통 테스트 및 200℃ 내구 시험에 합격했다고 언급했다. 전기 자동차의 주행 거리가 1000km를 넘을 수 있게 된다.[177] 이듬해 8월에 소프트뱅크와 Enpower Japan에 의해 에너지 밀도 300Wh/kg급의 전고체 배터리 셀 개발·실증에 성공했다. 소프트뱅크는 loT 기기 및 휴대 전화 기지국에서의 사용을 예상하고 있다.[178]

2023년 6월부터 맥셀은 교토 사업소(교토부 오야마자키정)에서 대용량 전고체 배터리의 양산을 시작했다. 황화물계 고체 전해질을 사용한 세라믹 패키지형 전고체 배터리를 생산한다. 기존의 2배의 에너지 밀도와 200℃ 이하의 환경에서 신뢰성을 확보하여, 가혹한 표면 실장 용도에 도입된다(내구성 기준 105℃에서 10년 사용 가능 · 체내 이식형 37℃에서 50년 기대 수명).[179][180][181] 이듬해 1월부터는 용량을 25배(200mAh)로 늘린 원통형 전고체 배터리의 출하도 시작했다.(직경 23mm/높이 27mm)[182]

2023년 9월, 파나소닉은 개발 중인 전고체 배터리를 언론에 공개했다. 충전 잔량 10%~80%까지 3분의 급속 충전이 가능하며, 사이클 수명이 1만~10만 회(상온)로 길다. 파나소닉에서 개발 중인 전고체 배터리는 2020년대 후반에 실용화될 전망이다.[183]

2023년 9월, 도요타는 전고체 배터리를 통해 10분의 급속 충전으로 약 1,200km의 주행 거리를 얻을 가능성에 대해 언급했다.[184] 이듬해에는 닛산과 혼다에 의한 전고체 배터리용 파일럿 라인이 공개되어, EV용 전고체 배터리가 생산 준비 단계에 들어섰음이 나타났다.[185]

2023년 11월, 중국 대형 자동차 회사 광저우 자동차 그룹은 전고체 배터리를 2026년부터 EV 차량에 탑재한다고 발표했다. 이 회사가 개발한 전고체 배터리는 안전성과 신뢰성을 확보한 후 400Wh/kg의 에너지 밀도를 달성하며, 출자사인 칭타오 에너지(清陶能源)에서 2025년부터 전고체 배터리의 양산을 시작한다.[186]

2024년 6월, TDK는 산화물계 고체 전해질과 리튬 합금 음극을 사용한 기존 대비 약 100배의 에너지 밀도 1000Wh/L의 전고체 배터리 재료를 개발했다고 발표했다. 웨어러블 기기 외에도 기존 코인 배터리를 대체하는 제품을 목표로, 2025년도 중에 출하를 예정하고 있다.[187]

2024년 11월, 혼다가 도치기현에서 전고체 배터리용 파일럿 라인을 공개, 공장의 가동에 따라 EV용 전고체 배터리의 양산이 임박했다는 뉴스가 보도되었다.

3. 종류

전고체 전지는 크게 유기 고체 전해질과 무기 고체 전해질로 나눌 수 있다.


  • 유기 고체 전해질: 유기 고분자 등을 사용하며, 리튬 폴리머 전지에 사용되는 고분자 겔이 대표적이다.
  • 무기 고체 전해질: 무기 화합물을 기반으로 하며, 산화물계, 황화물계, 할로겐화물계 등이 있다.
  • 산화물계: Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 (LATP), 페로브스카이트형 Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO) 및 석류석형 Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZO) 등이 대표적이다.[55]
  • 황화물계: 높은 이온 전도성을 가지지만, 산화 안정성이 낮아 문제가 될 수 있다.
  • 할로겐화물계: 염화물 초이온 전도체는 높은 이온 전도성과 변형 가능성을 가지며, 비용이 저렴하다.[56] Li3MCl6[57][58] 및 Li2M2/3Cl4[59] (M: Y, Tb-Lu, Sc, In) 등이 연구되고 있다.


Li–S는 높은 이론적 비에너지 용량(1,670 mAh g−1)을 가지는 유망한 음극 재료이다.[60] Li-O2 또한 높은 이론적 용량을 가지지만, 양극과 음극의 환경 조건이 달라 기술적 어려움이 있다.[60] Li/LiFePO4 배터리는 전기 자동차용 고체 전지로서의 가능성을 보여준다.[63]

최근 연구에서는 순수 실리콘 μSi||SSE||NCM811 양극을 사용한 전고체 전지가 높은 전류 밀도, 넓은 작동 온도 범위, 높은 면적 용량을 보여주었다.[64] 염화물 고체 전해질은 높은 이온 전도성과 성형성으로 인해 기존 산화물 고체 전해질보다 유망한 대안으로 떠오르고 있다.[65]

3. 1. 유기 고체 전해질 (반고체 배터리)

유기 고분자 등을 사용한 폴리머계 고체 전해질 중 고분자 겔을 전해질로 사용한 리튬 폴리머 전지는 초기 단계부터 실용화되었다. 고분자 겔 전해질은 진성 고분자 전해질과 마찬가지로 가교 구조를 가지므로 멜라민 수지 등의 열가소성 수지와 같이 거시적으로는 유동하지 않지만, 열역학적으로는 유리 전이 온도 이상에서 사용되기 때문에 약간의 탄력성을 가지고 있다.

폴리머계 고체 전해질은 겔 형태이며, 액체 전해질에 비해 휘발성이나 액체 누출에 대한 안전성은 향상되었다. 그러나 유기물이기 때문에 가연성이며, 내열성이 낮아 발화성 및 가연성이라는 단점을 가지고 있다.[2]

3. 1. 1. 복합형 전해질 (반고체/고체 배터리)

유기 고분자 등을 사용한 폴리머계 고체 전해질 중 고분자 겔을 전해질로 사용한 리튬 폴리머 전지는 초기 단계부터 실용화되었다. 고분자 겔 전해질이나 진성 고분자 전해질은 가교 구조를 가지므로 멜라민 수지 등의 열가소성 수지와 마찬가지로 거시적으로는 유동하지 않지만, 열역학적으로는 유리 전이 온도 이상에서 사용되기 때문에 약간의 탄력성을 가지고 있다.

폴리머계 고체 전해질은 겔상이며, 액체 전해질에 비해 휘발성이나 액체 누출에 대한 안전성은 향상되었다. 그러나 유기물이기 때문에 가연성이며, 내열성이 낮아 발화성 및 가연성이라는 단점을 가지고 있다.[2]

3. 2. 무기 고체 전해질 (전고체 배터리)

무기 고체 전해질은 무기 화합물로 만들어지며, 산화물계와 황화물계가 주로 사용된다. 이들은 불연성이므로 안전성이 높고, 전기화학적으로 안정적이기 때문에 높은 신뢰성을 제공한다.

황화물계 고체 전해질은 산화물 이온에 비해 큰 분극률을 가진 황화물 이온 덕분에 실온에서도 높은 리튬 이온 전도율을 보인다. 또한 유연성과 밀착성이 뛰어나 실온에서 압력을 가하는 것만으로도 성형이 가능하여 입계 저항을 줄일 수 있다. 이러한 장점들로 인해 황화물계는 전고체 전지의 대형화에 유리하며, 현재 실용화에 앞서 있다.

산화물계 고체 전해질은 안정성이 높다는 장점이 있지만, 고체 간 결합이 어렵고 입계 저항이 높다는 단점이 있다. 최근에는 산화물계에서도 높은 리튬 이온 전도율을 가진 고체 전해질이 개발되어, 리튬 이온만 통과시키는 단일 이온 도전체로 기능하며 높은 신뢰성과 장수명을 제공하고 있다.[155]

할로겐화물계 고체 전해질은 더 높은 성능을 목표로 연구가 진행 중이다. 최근 생성 AI를 활용하여 황화물계에 필적하는 이온 전도율을 가진 할로겐화물계 고체 전해질이 발견되기도 했다.[189]

주류 산화물 고체 전해질에는 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 (LATP), 페로브스카이트형 Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO) 및 석류석형 Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZO)가 금속 Li와 함께 사용된다.[55] 이 4가지 고체 전해질(SSE)의 Li에 대한 열적 안정성은 LAGP < LATP < LLTO < LLZO 순이다. 염화물 초이온 전도체는 또 다른 유망한 고체 전해질로 제안되었다.

3. 2. 1. 벌크형 전고체 배터리

벌크(bulk)형 전고체 배터리는 분말 형태의 재료를 프레스하거나 소결하여 제조하는 방식이다.[190] 전극을 두껍게 만들기 쉬워 고용량 배터리 제작에 적합하다. 일반적인 리튬 이온 2차 전지와 두께는 비슷하지만, 높은 에너지 밀도의 전극 재료를 사용하기 때문에 용량을 크게 늘릴 수 있다. 벌크형은 밀폐성이 높아 기판 실장이나 가혹한 표면 실장 용도에 적합하며, 세라믹 패키지형 전고체 전지로 실용화되고 있다. 황화물계 고체 전해질을 사용하면 유연성도 확보할 수 있어 원통형 라미네이트형 전지도 개발되고 있다.

차량 탑재용으로는 높은 에너지 밀도를 가진 두꺼운 전지를 제작해야 하므로, 활물질의 두께를 확보할 수 있는 벌크형 전고체 전지가 기대된다.[190] 벌크형은 대형화에 적합하지만, 고체 전해질이 두꺼워 높은 이온 전도율과 가공성을 모두 갖춘 고체 전해질 개발이 앞으로의 성능 향상의 핵심이다.

3. 2. 2. 박막형 전고체 배터리

진공 증착법이나 스퍼터법 등 기상법을 사용하여 전극 위에 얇은 막 형태의 전해질을 쌓아 제조하는 방식이다.[191] 일반적으로 액체보다 이온의 움직임이 느린 고체를 전해질로 사용하면 전지의 내부 저항이 증가하는데, 이를 줄이기 위해 전지를 얇게 만들어 이온 수송 거리를 줄인다. 박막형 전고체 전지는 수만 회의 충방전에도 견디는 뛰어난 사이클 특성을 보이며, 콘덴서 용도로 실용화되어 뛰어난 수명과 넓은 작동 온도 범위를 제공한다.[191]

4. 특징

전고체 전지는 에너지 밀도가 높고, 열악한 환경에서도 뛰어난 성능을 유지하여, 더 작고 신뢰성 있는 웨어러블 기기를 만드는데 기여할 수 있다.[68][78]

진공 증착법이나 스퍼터법 같은 기상법으로 전극 위에 얇은 막 형태의 고체 전해질을 쌓아 만든다. 고체 전해질은 액체 전해질보다 이온의 움직임이 느려 전지의 내부 저항이 커지는데, 이를 극복하기 위해 전지를 얇게 만들어 이온이 이동하는 거리를 줄인다.

박막형 전고체 전지는 수만 번 충전과 방전을 반복해도 성능이 유지되는 우수한 사이클 특성을 보이며, 콘덴서 용도로 이미 사용되어 뛰어난 수명과 넓은 작동 온도 범위를 증명하고 있다.[191]

4. 1. 높은 에너지 밀도

전고체 전지는 음극재로 금속 리튬을 사용할 수 있어 기존 리튬 이온 전지보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 이론적으로 황화물계 전고체 배터리는 리튬 이온 배터리보다 4배 정도 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.[192] 예를 들어, 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 일반적으로 300Wh/kg 미만이지만, 고체 전지의 에너지 밀도는 350Wh/kg을 초과할 수 있다.[117] 기존 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 255Wh/kg 수준인 반면, 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/kg까지 에너지 밀도를 높일 수 있다.

전고체 전지는 판 형태로 직접 배치할 수 있어 보호 용기 및 냉각 기구의 부피를 줄여 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 형태가 안정된 전고체 전지는 바이폴라 구조를 통해 단일 전지 내에서 높은 전압을 만들어내어 활물질 이외의 재료를 줄일 수 있다. 바이폴라 구조의 전고체 전지는 이미 실용화되어 전지의 고출력화에 성공했다.[196]

4. 2. 높은 안전성

전해질을 불연성 고체 전해질로 구성하면 증발, 분해, 액체 누출, 발화, 열화와 같은 문제를 해결할 수 있다.[146] 고체 전해질은 열 폭주의 위험을 줄여 배터리 화재의 주요 원인을 제거한다. 대부분의 고체 전해질은 가연성이 아니므로, 고체 전지는 화재 위험이 훨씬 낮고 많은 안전 시스템을 필요로 하지 않아 셀 팩 수준에서 에너지 밀도를 높일 수 있다.[2][129][118] 연구에 따르면 열 폭주 시 열 발생량은 액체 전해질을 사용하는 기존 배터리에서 관찰되는 양의 약 20-30%에 불과하다.[119]

무기물 고체 전해질은 불연성이기 때문에 높은 안전성을 갖추고 있다. 고체이므로 파손되어도 액체 누출이 없다. 최근 실용화된 전고체 전지는 200℃의 내열 시험을 견디고, 못 관통 시험에서도 발화하지 않는 등, 높은 안전성을 입증하고 있다.[190]

4. 3. 빠른 충전 속도

고체 전해질은 전기 분해 반응을 일으키기 어렵기 때문에 기존의 리튬 이온 이차 전지에서 4V 정도가 한계였던 충전 전압을 더 높일 수 있다. 또한 고체 전해질의 내열성이 높다는 점도 급속 충전 시의 작동 온도 범위를 넓히는 데 기여한다. 현재 액체 전해질보다 높은 이온 전도율을 나타내는 고체 전해질도 개발되었으며, 이 고체 전해질이 리튬 이온만 통과시키는 단일 이온 도체로서 기능하여 급속 충전 시의 과전압에 의한 부반응을 억제한다.[197] 게다가 바이폴라 구조를 채택함으로써 이온 수송 거리를 줄여 획기적으로 내부 저항을 억제하는 것도 가능해진다. 그 결과, 전고체 전지에서는 기존의 리튬 이온 이차 전지에서는 불가능했던 수 분 내 충전이 가능해진다. 현재 배터리 대형 제조업체에서는 잔량 10%~80%까지를 3분 만에 충전 가능한 장수명 프로토타입 전고체 전지가 개발되고 있다.[197]

4. 4. 높은 출력 밀도

고체 전해질은 내열성 및 전기화학적 안정성이 높아 고전위 양극 활물질과 금속 리튬 음극 활물질을 사용할 수 있다. 유기 용매 전해질에서는 배터리 작동 중 농도 분극이 발생하여 대전류 구동 시 리튬 이온 농도 저하로 반응 속도가 느려진다.[190] 그러나 고체 전해질에서는 농도 변화 인자가 리튬 이온뿐이고, 음전하는 골격 격자에 고정되어 전기적 중성을 유지하므로 리튬 이온 농도 변화가 일어나기 어렵다.

또한, 유기 용매 전해질 내에서 리튬 이온은 용매 분자와 결합하여 부피가 커진다. 따라서 층상 구조 전극 활물질 층 사이에 리튬 이온이 삽입, 탈리되려면 탈용매화 과정을 거쳐야 한다.[190] 유기 용매 전해질 계에서는 탈용매화 에너지가 높아 전극 반응 속도를 결정하는 주요 요인이 되지만, 고체 전해질에서는 탈용매화 과정이 없어 전하 이동 과정에서의 반응 장벽이 더 낮다.[190]

4. 5. 긴 수명

고체 전해질에서는 확산되는 종이 리튬 이온뿐이어서, 액체 전해질 계에서 발생하는 유기 용매 분자나 리튬 이온 이외의 음이온이 전극 표면에 반응하는 것을 막아, 전극 표면에서의 전기화학적 분해 반응은 지속되지 않는다. 또한, 전극 활물질의 용해 등도 전지의 열화를 일으키는 부반응이지만, 고체 전해질에서는 용해 반응은 일어나지 않는다.[190]

현재 실용화되고 있는 전고체 전지에서도 뛰어난 장수명이 나타나고 있으며, 전기 자동차 용도로는 폭스바겐이 개발 중인 전고체 전지로 50만km 상당의 주행에서도 전지 용량이 95% 유지된 것을 공표하고 있다.[198]

5. 과제

고체 전해질 개발은 전고체 전지 상용화의 핵심 과제이다. 생산성이 우수하고, 물리적 수명이 길며, 이온 전도율이 높은 고체 전해질을 개발해야 한다.[51][20][52][53][54] 후보 물질로는 리튬 오르토실리케이트, 유리, 황화물, 요오드화은루비듐과 같은 세라믹 등이 있다.[51][20][52][53][54]

주류 산화물 고체 전해질에는 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 (LATP), 페로브스카이트형 Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO) 및 석류석형 Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZO)가 금속 리튬과 함께 사용된다.[55] 이들 4가지 SSE의 Li에 대한 열적 안정성은 LAGP < LATP < LLTO < LLZO 순이다.

염화물 초이온 전도체도 유망한 고체 전해질로 제안되었다. 이들은 이온 전도성이 높고 변형 가능한 황화물의 장점을 가지면서도 황화물의 열악한 산화 안정성 문제를 해결했다.[56] 또한, 비용이 산화물 및 황화물 SSE보다 저렴한 것으로 평가된다.[56] 현재 염화물 고체 전해질 시스템은 Li3MCl6[57][58] 및 Li2M2/3Cl4[59]의 두 가지 유형으로 나뉜다. (M 원소: Y, Tb-Lu, Sc 및 In)

고체 전해질과 전극 간 계면 저항을 줄이는 기술 개발도 필요하다. 전고체 전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리와 달리, 고체 전해질과 전극 간의 접촉 면적이 작고 계면 저항이 크다.

전고체 전지는 기존 리튬 이온 배터리와 다른 제조 공정이 필요하며, 대량 생산을 위한 기술 개발 및 설비 투자가 필요하다.[14] 특히, 박막형 전고체 전지는 제조 비용이 비싸고[87], 확장이 어렵다고 여겨지는 제조 공정을 사용하며, 고가의 진공 증착 장비를 필요로 한다.[14]

초기 투자 비용으로 인해 전고체 전지의 가격이 상승할 수 있으므로, 가격 경쟁력 확보를 위한 노력이 필요하다. 2012년 당시 기술을 기준으로, 20 Ah 전고체 전지 셀의 비용은 100000USD에 달할 것으로 추산되었으며, 고급 전기 자동차에는 800개에서 1,000개 사이의 그러한 셀이 필요할 것으로 예상되었다.[14]

저온 작동 환경에서 성능 유지가 어려울 수 있다.[87] 전고체 전지는 역사적으로 저온에서 성능이 좋지 않았다.[19]

세라믹 전해질을 사용하는 전고체 전지는 전극과의 접촉을 유지하기 위해 높은 압력이 필요하며[88], 세라믹 분리막은 기계적 스트레스로 인해 파손될 수 있다.[14]

덴드라이트 형성 및 성장은 전고체 전지의 안전성과 수명에 영향을 미치는 주요 문제점 중 하나이다. 리튬 금속 음극은 덴드라이트가 형성되어 성장하는 경향이 있는데, 이는 전해질을 관통하여 전기적 단락을 유발할 수 있다.[93] 이러한 단락은 에너지 방전, 과열, 때로는 열폭주로 인한 화재나 폭발로 이어진다.[93]

6. 국가별 현황

전기 자동차 배터리는 하이브리드 전기 자동차와 플러그인 전기 자동차에 사용되며, 납축전지, 니켈-수소 배터리, 리튬 이온 배터리 등 다양한 기술이 활용되어 왔다. 특히, 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도 덕분에 시장을 주도하고 있다.[71] 전고체 전지는 액체 전해질을 사용하는 기존 배터리보다 가볍고 에너지 밀도가 높아 전기 자동차의 주행 거리를 늘리고, 비용 및 차량 중량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.[72]

전고체 전지 기술 개발은 여러 국가에서 활발하게 진행되고 있다. 주요 국가별 현황은 다음과 같다.


  • 혼다는 2022년에 2024년 초에 전고체 배터리 생산을 위한 데모 라인 운영을 시작할 계획이라고 발표했다.[73]
  • 닛산은 2028 회계연도까지 자체 개발한 전고체 배터리를 탑재한 전기 자동차를 출시할 계획이다.[74]
  • 토요타는 2023년 6월, 2027년까지 상용 전고체 배터리를 사용하지 않을 것이라고 발표했다.[75][76]
  • 메르세데스-벤츠는 2022년 1월, 차세대 세라믹 전고체 배터리 셀 공동 개발을 위해 ProLogium에 상당한 투자를 했다. 또한, 2023년 12월에는 미국 Factorial Energy에 투자하여 전고체 배터리 개발을 진행하고 있다.[77]

6. 1. 일본

일본은 전고체 전지 연구를 선도하는 국가로, 특히 황화물계 고체 전해질 연구에 집중하고 있다. 1980년대에 전고체 배터리 개념이 처음 제시되었고, 2010년 도요타가 황화물 전해질을 사용한 배터리 시제품을 공개하면서 연구가 활발해졌다.[7]

도요타는 리튬 이온 전지를 대체할 차세대 2차전지로 전고체 전지에 주목하여, 2022년 전고체 배터리를 탑재한 전기차 출시 계획을 발표했다.[7] 이는 리튬 이온 전지에 비해 출력과 전기저장량이 2배 이상 늘어날 것으로 기대되기 때문이다.[7] 또한, 충전 시간도 5분이면 80% 충전이 가능하여, 기존 가솔린, 경유 차량의 주유 시간과 비슷하다.[7] 도요타는 2012년부터 2014년까지 차세대 전지 관련 특허의 68%를 전고체 전지 분야에 출원했으며, 200명의 개발 인력을 투입하고 있다.[7]

파나소닉은 도요타와 협력하여 배터리 합작사를 설립하고, 전고체 배터리 기술 개발을 가속화하고 있다.[7] 이들은 전 세계 전고체 배터리 관련 특허의 40%를 보유하고 있다.[7]

일본 정부는 도요타를 중심으로 민관 컨소시엄을 구성하여 총 17조원을 투자하는 등 전고체 배터리 기술 개발을 적극적으로 지원하고 있다.[7] 2023년 10월, 도요타는 이데미츠 코산과 파트너십을 발표하고, 2028년부터 전기 자동차용 전고체 배터리를 생산할 계획을 발표했다.

SNE리서치에 따르면 전고체 배터리를 탑재한 전기차 비율은 2024년 2%에서 2030년 10%로 증가할 전망이다.[7]

6. 2. 중국

2018년 11월 26일, 중국 칭다오에너지디벨로프먼트는 10억위안(약 1600억원)을 투자해 장쑤성 쿤산시에 전고체 전지 양산 라인을 구축하고 양산에 들어갔다고 발표했다.[207] 이는 세계 최초의 전고체 전지 양산 공장으로 알려졌다.

칭다오에너지는 자사가 양산하는 전고체 전지가 kg당 400Wh 이상의 에너지 밀도를 달성했다고 주장했다. 이는 당시 리튬이온 배터리 셀의 에너지 밀도(kg당 250~300Wh)보다 높은 수준이었다.

그러나 칭다오에너지의 양산은 상용화보다는 연구 성과 수준이라는 견해가 많았다. 한국 배터리 기업들의 연간 생산 규모가 칭다오에너지의 180배에 달할 정도로 소규모 파일럿 생산에 가깝다는 지적이었다.

광저우 자동차 그룹(GAC)은 2023년 11월, 2026년에 전고체 배터리를 채택할 것이라고 발표했다. 또한, 자사 배터리가 400Wh/kg를 달성했다고 밝혔다.[48]

이외에도 CATL, 스볼트(Svolt) 등 중국 배터리 기업들이 전고체 배터리 개발에 참여하고 있다. 스볼트는 2022년 7월, 350-400Wh/kg의 에너지 밀도를 가진 20Ah 전기 배터리 생산을 발표했다.[43]

6. 3. 대한민국

산업연구원(KIET)은 2018년 3월 19일에 전고체 전지의 양산 시점이 전기자동차 보급의 전환점이 될 것이라는 전망을 내놓았다. 한국의 자동차 업계에서는 이 시점을 2025년으로 보고 있다.[18]

한국생산기술연구원 김호성 박사(제주지역본부장) 연구팀은 2019년 6월 17일에 폭발 및 화재 위험을 없애면서 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 '[https://www.kitech.re.kr/webzine/view.php?m=01&idx=341 바이폴라 구조의 전고체전지]' 제조 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 전지의 에너지밀도는 약 445Wh/L 수준이다.[19]

삼성SDI, LG에너지솔루션 등 국내 배터리 기업들도 전고체 배터리 개발 경쟁에 뛰어들고 있다.

6. 4. 미국

피스커는 2017년 전고체 전지 기술을 개발하여 1분 이내 충전으로 800km를 주행 가능한 전기차 개발에 성공했다고 발표했으며, 2023년 해당 전지를 탑재한 전기차 모델을 판매할 계획이었다.

테슬라는 2019년 배터리 회사 맥스웰 테크놀로지를 2.18억달러에 인수하며 전고체 배터리 기술 확보에 나섰다. 맥스웰 테크놀로지는 에너지 밀도 300Wh의 전고체 전지를 개발했다.

솔리드 파워는 포드 자동차 회사와 BMW로부터 1.3억달러를 투자받았으며,[38] 2022년 기준으로 5.4억달러를 모금했다.

퀀텀스케이프는 스탠퍼드 대학교에서 분사한 전고체 전지 스타트업으로, 2020년 NYSE에 상장되었다.[31][32] 2023년에는 5암페어시(amp-hour) 리튬 금속 셀인 QSE-5를 출시했다.

팩토리얼 에너지는 2023년 10월 매사추세츠주 메스엔에 배터리 제조 시설을 열고, 메르세데스-벤츠에 100Ah A-샘플을 출하하기 시작했다.

7. 응용 분야

전고체 전지는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용될 수 있다.


  • 전기 자동차: 전고체 배터리는 전기차의 주행 거리를 늘리고 충전 시간을 단축시켜, 전기차 시장 확대에 기여할 핵심 기술로 꼽힌다.[68][69] 액체 전해질을 사용하는 배터리에 비해 가볍고 에너지 밀도가 높아 차량의 주행 거리를 늘리고, 비용을 절감하며, 차량 중량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.[72]
  • 휴대용 전자기기: 스마트폰, 노트북, 웨어러블 기기 등 휴대용 전자기기의 성능 향상과 소형화에 기여할 수 있다.[68][69]
  • 특수 분야: 인공 심장 박동기, RFID, 웨어러블 기기,[68][69] 우주 항공,[79][80] 군사 장비[82] 등 극한 환경에서 사용되는 특수 장비에도 적용될 수 있다.


SNE리서치에 따르면 전고체 배터리를 탑재한 전기차 비율은 2024년 2%에서 2030년 10%로 증가할 전망이다. 글로벌 조사 업체 Allied market research는 2017년 6.33억원이었던 글로벌 전고체 배터리 시장이 2025년 1.682조원으로 확대된다고 예측했다. 일본 시장조사업체 후지경제는 2035년 전고체 배터리 시장규모가 32.6조원에 이를 것으로 내다봤다.

8. 관련 기업

CATL, LG, 파나소닉, 삼성을 비롯한 여러 기업들이 전고체 전지 개발에 참여하고 있다.

관련 기업
기업명
CATL
Cymbet
Ilika
Ionic Materials
LG
파나소닉
Penghui Energy
Sakti3
삼성
Solid Power
SolidEnergetics
QuantumScape


참조

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[142] 문서 （参考）NEDO 全固体リチウムイオン電池の研究開発プロジェクト第2期
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[144] 문서 主要メーカー（maxell、他）の製品仕様書より。
[145] 문서 業界観点から電解質の液体比率が15%〜5%を半固体、5%以下を固体、0%を全固体と表記することが多い。
[146] 문서 液体電解質では移動制限が無いため、液漏れや副反応の進行が生じる。また電気分解電圧が低く、特に水溶液では1.23Vで水が電気分解を起こし水素が発生する。液体は総じて沸点が低く、比較的低い温度で蒸発してしまう。
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[158] 문서 金属リチウムを使用した理想形である全固体電池だが、それでも取り出せるエネルギー量だけ見ればガソリンの燃焼エネルギーには遠く及ばない。これは反応熱とは反応性の高さではなく、反応時の化学エネルギー低下量から来るためである。ガソリン内の炭素や水素は燃焼時に酸素と共有結合し非常に低いエネルギー値へと移行する。この時の共有結合はリチウムなどが起こすイオン結合より強力な結合である。また炭素は不対電子を4つも持っており、水素は軽量だが強い酸化エネルギーを発生させる。そのため、質量辺りの反応熱だけ見ればガソリンの方が高いのである。これは全固体空気電池と比べても同じ事である。イオン結合より共有結合の方が強力であり、密度に対して不対電子を多く持つ炭化水素の燃焼エネルギー(反応熱)は全元素中でも最大級となる。正確に見ればガソリンも炭素と水素同士が共有結合をした準安定状態だが、それでも酸化エネルギーは金属リチウムの酸化エネルギーを若干超えている。ただし、共有結合は電池として利用出来る代物ではないので、金属リチウムが電池の還元材として最強の素材という事に変わりはない。そして電力が人類にとって最も有用で効率的なエネルギー媒体で有る事も変わらない。だからこそ電力網に接続可能なエリアにエンジン動力が選ばれる事は無く、残っているエンジン動力を全固体電池が駆逐する可能性を十分に秘めている事も事実で有る。ただし、旅客航空機の離陸から高高度水平飛行に移るまでに必要な電池のエネルギー密度は約800Wh/kg必要とされており、これは硫化物系全固体電池の理論エネルギー密度限界の６割に迫る高さであり、旅客航空機の電動化の難易度の高さが依然として残っている。
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