전고체 전지 소개

 

국가화재평가원

현암 대리

 

전기차 화재 위험성

 

리튬이온배터리의 화재 위험성은 크게 두 가지가 있습니다.

① 분리막 손상 - 어떤 물리적 힘에 의해 전지의 변형이 생겨 양극과 음극에 전기가 흐르지 않게 차단시켜주는 역할을 하는 분리막(Seperator)이 손상될 수 있습니다.

이 경우, 양극과 음극이 전기적인 접촉이 이루어지고, 전류가 급격히 증가하게 되어 과전류(Overcurrent), 단락(Short circuit)이 발생할 수 있습니다.

② 전해액 누출 - 배터리가 과충전되는 경우 또는 물리적인 힘에 의해 배터리 팩이 손상되는 경우, 전해액이 누출될 수 있습니다. 전해액은 일반적으로 카보네이트 계열의 유기용매에 리튬염 1mol 농도 정로로 용해한 유기 전해액으로 사용하고 있습니다. 이 같은 전해액의 누출 시, 외부와 접촉하면 높은 인화성을 가질 수 있으며, 환경조건에 따라 열폭주가 발생할 수 있습니다.  

 

전고체 전지란?

 

이번 호에서는 위와 같은 전기차 화재의 대부분을 차지하는 배터리 화재의 위험성 및 그 외에 배터리 효율을 높이기 위해 최근 대두되고 있는 전고체 전지를 소개하고자 합니다.

일반적인 리튬 이온 배터리의 구성요소는 양극, 음극, 전해질, 그리고 분리막으로 구성되어 있습니다. 전해질은 이온의 이동을 용이하게 하는 역할을 하고, 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하여 단락을 방지하는 역할입니다. 리튬 이온 이차전지에서 전해질은 이온이 이동할 수 있게 유기용매(액체)가 사용되는데 전고체 전지(all solid-state battery)는 이를 고체형 전해질로 대체한 전지를 말합니다.  고체의 전해질은 액체 전해질 보다 안전성이 높고, 구조나 형상을 자유롭게 바꿀 수 있기 때문에 박형이나 소형 및 대용량화 하는 것이 가능합니다.

 

전고체 전지의 장단점

 

<장점>

① 반응 안전성

리튬 이온 전지는 액체의 전해질 내에서 리튬 이외의 물질의 이동으로 인해 의도하지 않은 부반응이 발생하여 전류의 흐름을 방해하고 전지의 열화를 초래할 수 있습니다. 이에 반해 전고체 전지는 고체 전해질을 사용하기 때문에 부반응이 발생하기 어려우며, 이로써 열화가  리튬 이온 전지에 비해 발생하지 않는 장점을 가지고 있습니다.

② 온도 안전성

또한, 리튬 이온 전지가 60℃ 이상의 고온에서는 열화하고, 저온에서는 액체의 점도가 높아져 전압이 저하되는 것에 반해, 고체 전해질은 작동 온도 범위가 넓기 때문에, 고온이나 저온 상태에서도 안정된 성능을 유지할 수 있다는 장점 또한 가지고 있습니다.

이처럼 열적 안전성이 높아지다 보니, 배터리 팩에 냉각장치의 용량을 줄임으로써 전지의 중량 및 부피에 대비 에너지 밀도를 높일 수 있어, 주행거리가 늘어나는 등의 효과도 불러올 수 있습니다.

 

<단점>

① 전극간의 계면 저항 증가

고체 전해질은 전극 사이에서 리튬 이온이 이동할 때 전극과 계면 저항이 크다는 단점이 있습니다. 전극이 모두 고체이기 때문에 양쪽 전극을 완전히 밀착시키는게 어려울 수 있습니다.또한, 고체 전해질을 사용했을 때, 이온들이 고체로 움직이기 때문에 전극과 전해질 사이에서 형상 이상 형성이 발생할 수 있습니다. 이러한 형상 이상 형성은 전극과 전해질 간의 접촉면적을 감소시키고, 전기적인 접촉을 약화시킬 수 있습니다.

결과적으로 전극과 전해질 간의 내부 전기저항이 증가하게 되어 리튬 이온의 이동성이 저하되기 때문에 전지의 효율성과 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

 

리튬이온 전고체 비교표

 

	리튬 이온 배터리	전고체 배터리
원리	전해액 내 리튬이온이 음극과 양극을 이동하여 방전이나 충전이 이루어집니다.	전해액 대신 고체 전해질을 사용하며, 리튬이온이 고체 전해질 내에 음극과 양극사이를 이동하며 충전 및 방전이 이루어집니다.
분리막	○	x
모양	누출을 방지하기 위해 견고하고 정형화된 용기에 담아야 합니다.	액체의 누설이 발생하지 않기 때문에 형상의 자유도가 높아, 소형화나 대형화, 다층화가 가능합니다.

전고체 전지 현황

액체와 다르게 고체의 경우 이온을 빠른 속도로 이동시키는 것은 쉬운 일이 아니기 때문에 고체 전해질의 재료가 중요한데, 현재 고체 전해질로서 유망한 재료는 황화물계, 산화물계, 유기계 폴리머 3종류를 볼 수 있습니다. 이 중 황화물계는 가압 시 상호 압축되는 특성이 있어 계면 저항을 줄여 전기적 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전해액 수준의 높은 이온전도성을 가지고 있어, 자동차용 전고체용 전고체 전지로 개발되고 있습니다.

종류	특징
황화물계	- 이온 전도율이 높고 가소성이 높다. - 실온에서 충, 방전이 가능하며 가압이 필수적이다. - 물과 반응하면 유독한 황화수소 기체가 발생한다.
산화물계	- 안전성이 높고 기체 발생 반응이 없다. - 소결 공정으로 제작한다. - 전극이 단단하여 결합하기 어렵다. - 충, 방전 시 가열과 가압이 필요하다.

국내외 기업들은 고체 전해질 핵심소재인 황화물계 원료 및 리튬메탈 음극재 등 신소재 개발을 끊임없이 진행하고 있을 뿐만 아니라 일본(도요타)에서도 2027~2028년 전고체 전지 를 탑재한 차의 시장 도입을 확실시 하고 있습니다.

이와 같은 행보를 봤을 때, 몇 년전만 해도 꿈의 배터리라고 불리던 ‘전고체 배터리’가 상용화될 날이 머지 않을 것이라고 생각하고 있습니다.

전고체 전지의 상용화는 드론 및 UAM(Urban Air Mobility) 의 분야에서 안전성과 에너지 밀도의 향상으로 안전한 운행이 가능해질 뿐만 아니라 ESS 및 전자기기 등 다양한 산업 분야에 혁신적인 발전을 제공할 수 있을 거라 믿습니다.

 

-본 칼럼은 국가화재안전저널 제 36호에 기고된 글입니다.