머니토크 게시판
최근 코스닥 증시를 견인하는 종목은 무엇일까요?
여러분도 모두 아시는 그 종목, 바로 2차 전지 대장주 에코프로입니다.
올해는 에코프로의 해였다고 해도 무리가 없을 만큼 연일 화제였죠.
주가 100만 원을 가뿐히 뛰어넘으며 대형주가 된 에코프로의 저력은 쉽게 사그러들지 않고 있습니다.
그만큼 2차전지는 미래 에너지의 핵심으로 주목받고 있다는 걸 알 수 있는데요.
이번 시간엔 한국과학기술연구원 센터장 정경윤 센터장님과 함께 2차 전지 시장의 히든카드 전고체 배터리에 대해 살펴보겠습니다.
빠르게 팽창하는 2차 전지 시장
중심엔 전기차가 있다
2차 전지 시장은 굉장히 빠른 속도로 급격하게 팽창을 하고 있습니다.
일부 시장 자료에 의하면 5년 사이에 5배 10년
사이에 10여 배 이상 팽창하고 있다고 합니다.
그 시장을 가장 크게 끌고 나가는 수요처는 전기자동차입니다.
전기자동차를
중심으로 매우 빠른 속도로 팽창을 하고 있습니다.
얼마 후에는 그 전기자동차를 위한 인프라 산업(ESS 시장)도 동반 성장하면서 2차 전지 시장을 매우 빠르게 팽창시킬 것으로
예측되고 있습니다.
그와 더불어 전고체 전지 시장도 같이 동반 성장할 것으로 예측이 되고 있죠.
2차전지에서
현재 리튬이온 전지가 잘 쓰이고 있는데, 왜 전고체 전지의 얘기가 나오는지를 간략하게 알아볼게요.
리튬이온 전지의 한계와 위험성
대안은 전고체 배터리?
리튬이온 전지는 굉장히 좋은 전지입니다. 현재 나와 있는
2차전지 중에서는 가장 좋은 2차 전지로 알려져 있습니다. 하지만 리튬이온 전지도 나름대로의 한계점이 존재합니다.
일단은 에너지 밀도가 한계치에 달했다고 평가받고 있습니다.
또 하나는 가격적인 문제입니다.
리튬이온 전지는 잘 아시다시피 리튬이나 니켈과 같은 비싼 금속들을 많이 사용하게 됩니다.
놀랍게도 우리가 과거에 예측했던 것보다도 더 많이 가격이 내려가고 있지만 그 가격도 지금 거의 한계치에 다다르지 않았나라고 생각을 하고 있습니다.
또한 소비자들께서 불안해하시는 안전성 문제가 있습니다.
물론 자동차 화재 비율을 보게 되면 내연기관 자동차가 조금 더 불이 많이 나는 것으로 통계는 나와 있습니다.
하지만
2차 전지에 불이 붙게 되면 조금 급격하게 불이 붙고 또한 불을 끄기가 어렵기 때문에 그에 대한 안전성에서
많이 우려하시는 분들이 있습니다.
물론 리튬이온 전지 자체적으로도 이러한 한계점들을 극복하기 위한 노력들 특히나 안전성을 확보하기 위한
노력들을 많이 하고 있지만 이것을 진짜 획기적으로 개선을 시켜보자 진짜 불이 안 나는 궁극의 배터리를
만들자 하는 개념에서 시작되는 것이 전고체 전지라고 보시면 됩니다.
가연성의 액체 전해질을 고체로!
궁극의 안전성 전고체 배터리
실제 리튬이온 전지에서 불이 붙는 부분은 액체 전해질입니다.
액체 전해질이 가연성을 띄고 있기 때문에 어떠한 원인에 의해서 불이 붙게 되면 그 전해질이 연료로서
타게 됩니다.
이러한 가연성의 액체 전해질을 빼내고 불이 붙을 수 없는 고체 전해질로 바꾸자라는 것이 전고체 전지의 개념입니다.
액체 전해질 같은 경우에는 일단 분리막이 사용돼야 되고요 액체 상태이기 때문에 이온전도도가 매우 높아서
성능이 잘 나옵니다.
하지만 단점으로서는 불이 붙을 가능성이 있고 또한 전압 영역이 어느 정도 한정이 되는 단점을 가지고 있습니다.
고체로 바꾸게 되면 일단
고체 전해질 자체가 분리막 역할을 하기 때문에 분리막을 사용하지 않아도 됩니다.
하지만 단점으로는 액체가 고체로 바뀌기 때문에 이온전도도가 액체에 비해서 안 나오게 됩니다. 이게 전기화학적인 성능이 떨어지는 쪽으로 연결이 되게 됩니다.
하지만 궁극의 장점은 매우 안전하다는 것입니다. 불이 안 붙는 안전성을 확보할 수 있게됩니다.
세라믹 소재로 도자기와 비슷한 성격을 가지기 때문에 불이 거의 안붙는다고 보시면 됩니다.
또 고체 전해질의 종류에 따라서는 매우 높은 전압에서도 작동이 되는 성능을 가진 것들이 있어서 성능
개선의 여지가 있습니다.
2차
전지 시장과 더불어 성장 예측
2030년 상용화 전망
전고체배터는 2차 전지 시장의 성장과 더불어서 성장할 것으로
예측되고 있습니다. 전고체 전지는 아직 상용화 되지 않았습니다.
일본, 한국, 미국, 중국이 특허를 많이 생산해 내고 있습니다.
아직까지는 소재의 특허가
많이 나오고있으며 상용화에 근접해 있다면 소재 관련 특허뿐만 아니라 공정기술 관련 특허도 많이 나올 텐데 아직 그런 움직임이 많지는 않은 것으로
봐서 조금 더 시간이 필요한 기술로 보시면 될 것 같습니다.
많은 기업들이 2025년 혹은 2027년 출시를 선언하면서 열심히 개발하고 있는데 그 무렵에는 아마 프로토타입 정도가 나오지 않을까 생각되고 있습니다. 그 후 몇 년 정도는 더 걸려야 상용화가 될 듯합니다.
자율도 높은 바이폴라 전극 사용
글로벌 기업들의 연구 박차
전고체 전지는 바이폴라 전극을 사용합니다.
바이폴라 전극이란 하나의 전극 한쪽에는 양극 한쪽에는 음극을 발라서 셀 내부에서 직렬 연결할 수 있는
기술입니다.
기존 액체 전해질을 사용하는 전지에서는 이 액체 전해질이 타고 넘치기 때문에 바이폴라를 하게 되면
서로 단락이 되는 효과가 있었는데 고체 전해질에서는 흐르는 성질이 없기 때문에 바이폴라 스태킹이 가능합니다.
바이폴라스태킹을 하게 되면 작은 셀에서도 직렬 연결해서 단위 셀의 전압을 높일 수 있는 가능성이 있습니다.
셀을 설계할 때 좀 더 많은 자유도를 가지고 설계할 수 있는 가능성도 있죠.
많은 기업들이 전고체 전지를 연구하고 있습니다.
대표주자인 도요타도 2020년대 초반부터 생산을 하겠다는 얘기를 했지만 2030년까지 연기가 된 상태입니다.
전고체
전지가 물론 가능성이 있는 기술이지만 아직까지 우리가 지금 해결해야 되는 허들이 존재하기 때문에 좀 더 열심히 연구를 해서 앞당길 수 있도록 노력하는
상황입니다.
미국이나 유럽의 많은 스타트업들이 자동차업체들과 전고체 전지 연구를 위해 협업하고 있습니다.
메르세데스 벤츠와 프랑스의 볼로레, BMW와 포드는 미국의
솔리드 파워와 같이 일을 하고 있고폭스바겐도 퀀텀스케이프와 연구 중에 있습니다.
고체 전해질, 계면 저항 연구
이온전도도 향상
기존 리튬 이온 전지를 할 때는 액체 전해질을 사용했는데 전고체 전지는 전해질을 고체로 바꾸다 보니까
고체와 고체 사이의 계면저항* 문제가 많이 발생하게 됩니다.
*계면저항: 서로 다른 물질이 접하며 생긴 두 물질 사이의 공간에 생기는 높은 저항
실제 양극과 전해질층, 음극 그 사이의 계면뿐만 아니라
양극이나 음극 내에서도 고체 전해질과 양극활물질 사이의 계면들이 다양하게 존재하기 때문입니다.
더군다나 그러한 계면에서의 반응을 우리가 아직까지는 많이 이해를 하고 있지 않기 때문에 연구를 많이
진행해야 됩니다.
따라서, 고체 전해질을 개발하는 것뿐만 아니라 계면에 대한 이해도 많이 진행해야 됩니다.
고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 인산화물계 세 가지로 분류를 할 수가 있습니다.
일반적으로 산화물계와 인산화물계는 유사한 특성이 많이 있기 때문에 황화물계와 비황화물계로 나누기도
합니다.
황화물계는 현재로서는 전기화학적인
특성이 더 잘 나오는 소재입니다. 다만, 대기 및
수분안정성 같은 것들에 취약한 측면이 있습니다.
비황화물계 같은 경우에는
우리가 공기 중에서도 다룰 수 있는 고체 전해질입니다. 대신 결정성이 너무 높고 이온전도도가
낮기 때문에 특성이 조금 안 나오는 성향이 있습니다.
비황화물계 고체 전해질에 대해서는 활물질 자체와 산화물계 고체 전해질이 접촉이 잘 되게끔 하는 연구와
산화물계 고체 전해질의 전이 영역을 조절해 가면서 에너지 밀도를 높이며 용량을 많이 뽑아 낼 수 있는 연구를 진행하고 있습니다.
산화물계 고체 전지해질의 이온전도도가 상대적으로 낮기 때문에 이를 개선하기 위한 고체 전해질 자체에
대한 연구 그 다음에 새로운 폴리머의 도움을 통해서 이온전도도를 향상시키는 연구들이 종합적으로 진행되고 있습니다.
전고체 전지의 상용화를 앞당기려면?
2차전지는
소재의 기술과 공정 기술이 동반해서 개발돼야 되는 기술 영역입니다.
전고체 전지는 특히나 고체 전해질에 대한 연구가 현재 많이 진행되고 있기 때문에 소재 연구를 집중적으로
함으로써 전고체 전지의 상용화 시기를 앞당길 수 있는 가능성이 있다고 생각됩니다.
