전기차 시대에 게임 체인저 전고체 배터리 : 2차 전지와 장점 단점 비교하기

 전고체 배터리의 등장에 따른 자동차 산업에서의 영향성 및 배경에 대해 기술했습니다. 문과 생도 알아볼 수 있는 동작 원리와 장단 점에 대해 비교했습니다.

전기 자동차 2차 배터리 (전지)의 액체 전해질에 따른 단점

 기존 2차 전지의 경우 전해질이 액상으로 구성되어 있습니다. 전해질 하면 무슨 말인가 싶습니다. 일단 걸러내는 체망 혹은 필터와 같은 역할을 한다고 보면 이해가 그나마 쉽니다.  해당 부분은 다른 글에서 정리를 해드리겠습니다.

 일단 앞서 언급한 대로 기존 2차 전지는 액체 전해질로 구성되어 있습니다. 모든 문제는 늘 그렇듯 구성품에서부터 시작됩니다. 액체를 담기 위한 공간이 여유 있게 있어야 하고,  새거나 섞이지 않도록 하는 구조물들이 필요합니다. 이러한 필요로 발생되게 된 구조물이 분리막과 패킹징 부자재들이 있을 수 있습니다. 패키지 부자재는 케이스가 될 수도 있고, 충격에 배터리가 상하지 않는 장치를 의미합니다.

 액체의 특성으로부터 오는 단점들이 곧 현재 2차 배터리(전지)가 적용된 차량의 단점입니다. 외부 충격에 분리막이 깨지게 되면 어떻게 해야 할까요? 화재 위험성이 생각이상으로 크다는 점입니다. 왜냐하면 수백 개의 셀 단위로 전기 자동차 아래에 배터리가 깔려 있는데 어느 녀석에게 이상이 생겼는지 알 수가 없다는 것입니다. 설사 알게 되더라도 이게 적당히 깨져서 잠시 넘어간 건지 아니면 정말 분리막이 깨져서 셀로서 역할을 못하는 건지 확인하는 데 실시간 감시가 필요하다는 것입니다. 그런데 화학이라는 게 사람 마음처럼 딱 on/off로 동작하지 않기 때문에 애매한 상태가 많다는 것입니다. 감시 기술 즉 모니터링 기술이 발전되면 될 것으로 생각되지만, 배터리 가격 자체가 비싼 상황에 수백 셀을 감시하는 모니터링 장치에 돈을 쓰기에는 수지가 맞지 않을 것입니다. 거기에 반응이 한번 일어나면 액체는 한 번에 크게 반응이 일어납니다. 극단적인 예를 들면 맑은 물에 잉크 한 방울이 떨어지는 경우를 생각하시면 좋습니다. 액체의 특성상 한번 반응이 일어나면 멈추기 가 쉽지 않습니다. 거의 불가능에 가깝고 반응을 멈추기 위해서는 화학적인 첨가물이 필요한 경우가 많습니다. 전기차 화재도 유사하게 한번 반응이 일어나면 조치하는 사항이 반응이 끝날 때까지 기다리거나 혹은 작은 욕조 형태처럼 주변을 만들어 배터리 부분을 물에 잠기게 만드는 형태로 화재 진압을 하고 있습니다.  전기차 화재 빈도를 미국이라는 나라에 국한에서 확인해 보면 일반 내연기관 차량 대비 13배가 높은 화재 빈도가 발생한다고 합니다. 

 그렇다면 액체라는 물질적 상태에서 갖는 단점을 극복하기 위해 2차 전지 업체에서는 어떤 대안을 내고 있을까요?

 

전기 자동차 전공체 배터리의 장점 

 전고체 배터리가 기존 2차 전지의 대안이 될 수 있습니다. 물질의 상태에 따라 관리 포인트가 달라집니다. 예를 들어 액체를 이동시킨다고 하면 필요시 되는 게 액체를 안전하게 담을 수 있는 통이 필요하고, 작업자들도 통이 쓰러지지 않게 주의를 하면 이동을 시켜야 합니다. 그런데 그냥 고체 박스를 이동시킨다고 생각하면 어떨까요? 별거 없이 작업자가 와서 그냥 들고 이동시키면 됩니다. 고체 전해질 배터리의 장점은 물질의 기본 상태에서 갖고 오는 정보로 거의 반은 먹고 간다고 보셔도 됩니다.

 정리하면, 2차 전지가 적용된 전기차에서 겪고 있는 화재 위험이 크게 줄어든다는 것입니다. 여기에 충전속도적인 측면에서도 액체 상태 대비 짧습니다. 

전기차 2차 전지와 전고체 배터리의 중량당 출력 특성 비교

 전기차에서 특히 중요하게 보는 지표는 중량당 출력, 부피당 출력을 중시합니다. 의역하면 전고체 배터리를 전기차에 넣으면, 크기는 절반,무게도 절반으로 제공이 가능하다는 뜻입니다. 참 무서운 기술의 혁신입니다. 기술적인 말로 표현 하면, 현재의 기존 2차 전지가 낼 수 있는 출력의 한계는 300 kWh/kg 수준으로 보고 있습니다. 반면 전고체 배터리의 경우에는 500 kWh/kg 수준까지 보고 있다는 뜻입니다. 아래 보쉬의 전기 기술 전망을 보시면 확인이 가능합니다.

보쉬 전지 기술 전망

전고체 배터리 양산을 위한 과제

 전고체 배터리는 다 좋다는데 왜 양산이 되지 않을까요? 기존 구조의 분리막도 없고, 전해액도 없는 구조입니다. 이러한 특성을 갖기 위해서는 무엇보다 재료 자체에 대한 특성을 많이 따라야 하고, 양산 설비와 공정에 대한 준비가 필요합니다. 수요는 있지만 수요를 공급하기 위한 설비 준비는 또 별개의 문제이기 때문입니다. 거기에 재료도 중요하다는 뜻은 곧 공정에 오류가 나면 폐기도 많이 나온다는 뜻이고 곧 양산 체제 확보를 위한 수율 확보가 쉽지 않다는 뜻입니다. 재료를 정하더라도 양산 공정에 문제가 있어서 재료를 다시 원점부터 고민해야 될 수도 있고, 반대로 재료는 좋은데 양산 공정에 투입되는 비용이 높기 때문에 양산을 할 수 없는 경우도 있습니다. 즉 양산품이 나온다는 것은 재료와 양산 공정의 최적화가 이루어져야 하는데 사실 이 부분은 각 기업이 갖고 있는 기밀이기도 하며, 사람들이 말하는 노가다성 개발과 투자가 지속 이루어져야 하는 부분입니다. 전기차 시대가 왔으니 다시 전고체 배터리가 주목을 받게 된 것으로 생각됩니다. 전고체 배터리를 개발하는 업체 입장에서는 산업을 주도할 수 있는 좋은 기회입니다. 실패를 할 경우에 따르는 리스크도 만만하지 않기 때문에 다들 속도 조절을 하고, 기회비용을 쓸 수 있는 대기업 위주로 진행이 되지 않나 싶습니다.

 

결어

 전고체 배터리가 양산화 된다면 전기차 시장의 체인저가 되는 것은 분명한 사실입니다. 전기차 시장뿐만 아니라, 전기 수소차의 경우 짧은 충전시간 긴 주행거리가 무색하게 될 것입니다. 전고체 배터리가 양산되기 위해서는 넘어야 할 산이 많이 있지만 전기차가 한 번에 짜잔 하고 등장했듯이 전고체 배터리도 짜잔 하고 나타날 것 같습니다. 그 주자가 삼성 SDI가 될지 아니면 전고체 배터리를 시작한 도요타가 될지 기대해 볼 만한 관점 포인트가 될 것 같습니다.