김학수 인켐스 대표가 ‘전고체전지용 황화물계 고체전해질 제조기술’에 대해 설명하고 있다./사진:이종호 기자

[대한경제=이종호 기자] 미래 배터리는 꿈의 배터리로 불리는 전고체 전지가 될 것으로 보인다. 전문가들은 황화물계가 산화물·고분자계에 비해 기술적 난이도가 높지만 개발에 성공한다면 전고체 전지의 핵심이 될것으로 전망했다.

21일 한국과학기술회관에서 SNE리서치 주최로 열린 제1회 ‘NGBS(Next Generation Battery Seminar) 튜토리얼 2024’에서는 리튬이온배터리(LIB)의 기술 개발 트렌드가 다양하게 소개됐다.

이날 세미나의 핵심 키워드는 ‘전고체’였다. SNE리서치에 따르면 전고체 배터리는 2027년 본격적인 시장이 형성돼 2030년에는 약 53조원 규모로 커질 것으로 예상한다.

자동차용 전고체 배터리의 주행거리는 기존 배터리 대비 두배 이상 늘어나고 부피는 3분의1에서 4분의1 가량 작아질 것으로 보인다. 아울러 배터리의 가장 취약점인 화재에서도 자유로울 수 있어 꿈의 배터리로 불린다.

‘전고체전지용 황화물계 고체전해질 제조기술’에 대해 발표한 김학수 인켐스 대표는 “이차전지 성능을 더 끌어올리려고 전고체전지 개발의 필요성이 대두 됐다”며 “리튬이온전지보다 성능도 좋지만, 무엇보다 화재에 안전한 것이 가장 큰 장점”이라고 강조했다.

전고체 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용한다. 세부적으로 전고체 전지는 재료에 따라 무기계와 고분자계로 분류되고 무기계는 다시 산화물계와 황화물계로 나뉜다. 이 중 많은 배터리업체들이 황화물계 고체전해질을 사용하는 전고체배터리 개발에 뛰어들었다. 황화물계의 장점은 높은 이온전도도와 기계적 유연성이다. 단점은 대기중 수분반응시 유독가스가 나올 수 있다는 것이다.

김 대표는 “황화물계 고체전해질 상용화의 해결 과제는 고이온전도성과 대기안전성”이라며 “황화물계 고해전해질은 수분과 민감하게 반응해 대기 중에 독성가스가 퍼질 수 있다”고 지적했다.

인켐스는 이런 문제를 해결하려고 황화물계 고체전해질의 단점인 유해가스 문제를 개선한 고체전해질 파일럿(시험) 생산을 시작했다.

그는 “황화물계 고해전해질은 일반적으로 수분이 낮은 환경에서 생산해야 해 투자 비용이 증가하는 문제가 있었다”며 “상대습도 20%는 현재 음극 극판 제조 공정의 습도와 유사한 수준으로 리튬이온 배터리 제조 조건에서도 충분히 생산이 가능한 소재에 초점을 맞추고 있다”고 설명했다.

하윤철 전기연구원 센터장은 전고체 전지 구현 이슈에 대해 설명했다. 하 센터장은 “전고체 전지는 일정 양의 압력이 필요한데 이를 팩에서 해결해야 한다”며 “도요타가 개발한 바이폴라(쌍극)는 셀 사이를 커텍터로 연결하는 것이 아니라 셀끼리 직접 연결해 전압을 올릴수 있는 장점이 있다”고 설명했다.

지금의 방식인 모노폴라는 셀과 셀을 직렬로 연결했다면 바이폴라는 셀끼리 직접 연결해 전류와 전압을 조절할 필요 없이 대전력을 셀 모듈 안으로 단번에 흘려보낼 수 있다.

그는 “바이폴라 방식을 이용하면 집전체가 하나가 없어져 부피가 더욱 줄어들 수 있다”며 “결국 배터리 크기를 줄이기 위해서는 부자재를 적게 넣고 양극재를 두껍게 만들어야 한다. 양극재가 뚜거워지면 100도 이상에도 버틸 수 있고 100도에서는 충ㆍ방전이 1분이면 충분하다”고 설명했다.

전고체 전해질 기술에 대해 설명한 이영기 한국전자통신연구원 실장은 “황화물 고체전해질은 온도에 둔감하다는 것”이라며 “리튬이온 전지의 정상 작동 조건은 -10도~40도로 온도가 떨어지면 사실상 작동이 불가하다”고 설명했다.

반면, 황화물 고체전해질은 외부 온도가 떨어지더라도 배터리 온도가 떨어지는 속도가 느리고 상용 온도도 -40도~100도 정도로 온도에 강점을 가진다.

이 실장은 “전해질이 고체화될수록 온도에 둔감해져 전고체는 리튬이온에 비해 셀을 고온은 물론 저온에서 유지하기 쉬워진다”며 “배터리 팩에서 발열과 온도하락을 잡기 위한 장치가 약 30% 차지하는데 전고체를 쓰면 배터리팩에 그만큼 공간이 생겨 용량이 증가한다”고 설명했다.

이종호 기자 2press@

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