전기 자동차가 대중화되면서 2차 전지 시장의 관심이 커지고 있다. 기존의 전기차의 배터리는 인산철 또는 리튬 전지가 양분화되어 있다. 전기자동차의 경쟁력을 위해 각 업체 바다 단기간에 충전하고 오래 운영할 수 있는 배터리를 개발하고 있다. 전고체 배터리가 자동차 제조업체들이 가장 많은 관심을 가지고 상용화를 위해 연구 중이다. 전고체 배터리가 무엇이고 잠재력, 장점이 무엇인지 알아보자!
목차
1. 2차 전지 종류와 특징
2. 전고체 배터리란?
3. 전고체 배터리의 장점
4. 전고체 배터리의 응용분야
5. 전고체 배터리 상용화의 과제
1. 2차 전지 종류와 특징
일반적인 2차 전지의 주요 종류와 각각의 특징
1) 리튬 이온 배터리 (Li-ion): 가장 일반적인 배터리 종류로서, 이동식 전자제품(스마트폰, 노트북, 태블릿), 전기 자동차, 태양광 및 풍력 저장 시스템 등 다양한 응용 분야에서 사용된다. 고에너지 밀도와 상대적으로 가볍고 작은 크기를 가지며, 높은 충전 효율을 갖습니다. 비교적 친환경적이다.
2) 니켈-카드뮴 배터리 (NiCd): 높은 효율과 내구성을 가지며, 폭발 및 열화의 위험이 낮다. 그러나 카드뮴은 환경에 해로울 수 있으므로 카드뮴 배터리의 사용이 제한됩니다.
3) 니켈-수소 배터리 (NiMH): 카드뮴 배터리 대안으로 개발되었으며, 높은 에너지 밀도를 가집니다. 환경에 미치는 영향이 낮으며, 일부 하이브리드 자동차 및 이동식 전자제품에서 사용된다.
4) 납-산화물 배터리 (Pb-acid): 저렴하고 강한 효율을 가지며, 자동차 시동용 배터리와 같은 응용 분야에서 주로 사용됩니다. 무거우며 친환경성이 낮아 현대적인 응용 분야에서는 더 적합한 대안이 존재합니다.
5) 전고체 배터리 (Solid-State Batteries): 고체 전해질을 사용하여 리튬 이온 배터리의 문제점을 해결하려는 연구가 활발히 진행 중입니다. 안전성 향상, 빠른 충전, 높은 에너지 밀도 등이 기대되며, 향후에 상용화될 가능성이 높다.
6) 리튬-황 배터리 (Li-S): 높은 에너지 밀도와 저렴한 황 재료로 만들 수 있어 향후 기술로 주목받고 있습니다. 환경 친화적이지만 사용에 대한 기술적 도전과 안정성 문제가 남아 있습니다.
2. 전고체 배터리란?
에너지 저장 분야의 차세대 개척자로 종종 환영받는 전고체 배터리는 배터리 기술의 획기적인 발전이라고 칭송한다. 왜냐하면 액체 또는 젤 전해질을 사용하는 기존 리튬 이온 배터리와 달리 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용합니다. 이러한 근본적인 차이는 에너지 저장 및 다양한 산업에 광범위한 영향을 미칩니다.
3. 전고체 배터리의 장점
1. 안전성 : 강화 전고체 배터리는 액체 전해질 배터리보다 본질적으로 안전하다. 가연성 물질이 없기 때문에 열 폭주 및 배터리 화재 위험이 줄어들어 전기 자동차(EV) 및 가전제품에 이상적입니다.
2. 에너지 밀도 : 향상 전고체 배터리의 가장 주목할만한 장점 중 하나는 에너지 밀도가 높다는 것입니다. 즉, 더 작고 가벼운 패키지에 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 다양한 응용 분야에 더 오래 지속되는 전원을 제공할 수 있습니다.
3. 더 빠른 충전 고체 배터리는 기존 배터리보다 훨씬 빠른 속도로 충전할 수 있습니다. 특히 충전시간 단축이 사용자 편의성을 높이는 핵심 요소인 전기차에서는 더욱 중요한 기능이다.
4. 전고체 배터리의 응용분야
전고체 배터리의 잠재적 응용 분야는 다양하고 유망할 수 있다.
1) 전기 자동차 자동차 업계에서는 전고체 배터리를 전기 자동차에 통합하는 방안을 적극적으로 모색하고 있다. 전고체 배터리는 더 긴 주행 거리, 더 짧은 충전 시간, 향상된 안전성을 제공하여 EV 채택의 주요 문제 중 일부를 해결할 수 있다.
2) 전자제품 스마트폰, 노트북과 같은 가전제품은 충전 간 사용 시간을 연장하고 배터리 관련 문제의 위험을 줄여 전고체 배터리의 이점을 누릴 수 있습니다.
3) 재생에너지 저장장치 전고체 배터리는 재생 에너지 저장에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 태양광 패널과 풍력 터빈에서 생성된 잉여 에너지를 효율적으로 저장할 수 있어 태양이 빛나지 않거나 바람이 불지 않는 경우에도 안정적인 전력 공급을 보장합니다.
5. 전고체 배터리 상용화의 과제
1) 비용: 전고체 배터리는 종종 고온 소결 및 특수 재료 사용을 포함하여 복잡하고 값비싼 제조 공정이 필요하다. 생산 비용을 줄이는 것은 중요한 과제입니다.
2) 재료: 많은 충전 및 방전 주기에 걸쳐 전도성이 있고 안정적인 적합한 고체 전해질 및 전극 재료를 찾는 것이 핵심 과제입니다. 또한 이러한 재료는 풍부하고 환경친화적이어야 합니다.
3) 확장: 실험실 규모의 프로토타입에서 상업용 규모의 제조로 생산을 확장하는 것은 중요한 장애물입니다. 생산량이 증가함에 따라 일관성과 품질 관리가 더욱 중요하다. 수율이라고 표현하는 대량 생산 시 일정한 품질을 유지하는 비율이 확보되어야 한다.
4) 안전성: 전고체 배터리는 일반적으로 기존 리튬 이온 배터리보다 안전한 것으로 간주되지만 수지상 결정 형성 및 열 폭주 가능성과 관련된 안전 문제는 여전히 남아 있습니다.
5) 성능: 전고체 배터리에서 높은 에너지 밀도, 빠른 충전 기능, 긴 수명을 달성하는 것은 어렵습니다. 다양한 작동 조건에서 성능을 유지하는 것도 중요합니다.
6) 온도 감도: 일부 고체 전해질은 온도 변동에 민감하여 극한 조건에서 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
7) 통합: 전고체 배터리를 전기 자동차와 같은 기존 장치 및 시스템에 원활하게 통합할 수 있는 제조 프로세스를 개발하는 것은 어려운 일입니다.
전고체 배터리는 에너지 저장 기술의 중추적인 발전을 나타냅니다. 강화된 안전성, 더 높은 에너지 밀도, 더 빠른 충전 기능으로 인해 전기 자동차부터 재생 에너지 저장 장치에 이르기까지 다양한 곳에서 필요하다. 도요타가 이미 전고체 배터리 차를 출시하겠다고 발표를 하고 있다. 우리도 지속적이고 빠른 연구를 통해 전고체 배터리가 중심이 되는 사업영역을 개발해야 배터리 시장의 주도권을 가진 미래를 기대할 수 있습니다.