테슬라가 전고체 배터리를 개발할 수 있을까?

지난 몇 년 동안 저명한 자동차 회사들이 지갑을 열고 솔리드 스테이트 배터리 기술 연구를 시작하는 것을 목격했습니다. 그들의 목표는 무엇일까요? 대부분의 전기차 관련 문제의 원인인 현재의 리튬 이온 배터리에서 벗어나는 것입니다.

하지만 10년이 지난 지금까지도 전고체 배터리는 아직 상용화되지 못하고 있습니다. 왜 이렇게 오래 걸리는 걸까요? 현재 전고체 배터리는 막대한 생산 비용과 재료 부족으로 인해 대규모 생산이 불가능하며, 이는 여전히 제조에 장애가 되고 있습니다.

다른 한편으로, 이러한 일시적인 문제는 수십 개의 회사가 수백 명의 전문가와 수십억 달러를 투입하여 문제를 해결하기 위해 노력하고 있기 때문에 일시적인 현상일 수 있다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 그러나 업계에서 여전히 믿지 않는 회사가 한 곳 있다면 바로 테슬라입니다. 이 미국 회사는 대신 4680 배터리 셀이라는 새로운 포맷으로 미래의 표준을 거스르는 독자적인 길을 선택했습니다.

일론 머스크에게 아직 초기 단계에 있는 이 신기술은 대안일 뿐만 아니라 SSB(전고체 배터리)에 대한 사형선고나 다름없습니다. 이 조용한 소모전 속에서 잠시 궁금한 점이 생겼습니다. 왜 모두가 전고체 배터리에 투자하는 걸까요? 그리고 테슬라가 리튬 이온의 도그마에서 벗어나 새로운 원칙을 따르기 위해서는 무엇이 필요할까요?

대부분의 전기차 관련 문제를 해결할 수 있는 전고체 배터리

전고체 배터리는 엄밀히 말해 고체 성분으로 만들어졌다는 사실에서 그 이름을 얻었습니다. 양극과 음극은 금속으로 만들어지고, 양극과 음극 사이에 고체 전해질이 배치되어 이온이 자유롭게 흐르도록 합니다. 표준 리튬 이온 배터리의 경우 전해질은 액체이며, 대부분의 문제의 핵심입니다.

오늘날 전기차는 주행 거리, 배터리 상태 및 전반적인 성능이 추운 날씨의 영향을 많이 받아 이온의 이동이 느려지고 전압이 낮아지기 때문에 겨울철에 특히 취약한 것으로 널리 알려져 있습니다. 반면에 전고체 배터리의 고체 구성 요소는 액체처럼 얼지 않기 때문에 저온에서 특히 강합니다.

마찬가지로 리튬 이온 배터리의 액체 전해질은 가연성이 높기 때문에 높은 온도도 심각한 문제가 될 수 있습니다. 전기차와 관련하여 화재 위험은 과장된 측면이 있지만, 여전히 중요한 안전 문제입니다. 전해질이 고체일 경우 이러한 우려는 크게 완화됩니다.

요즘 전기차를 소유할 때 주의해야 할 또 다른 사항은 주행 거리에 대한 불안감입니다. 다행히도 현재의 급속 충전 기술은 이 문제를 어느 정도 해결할 수 있습니다. 하지만 밤새 몇 시간 동안 충전해도 장거리 여행 도중에 배터리가 방전될까 봐 걱정하는 소비자가 여전히 많기 때문에 이러한 이점을 모든 사람이 똑같이 누릴 수는 없습니다.

따라서 솔리드 스테이트 배터리는 더 높은 에너지 밀도(더 긴 주행 거리를 의미)를 제공하고 충전 과정에서 발생하는 열에 더 강해 더 빠르게 충전할 수 있기 때문에 이 문제를 전반적으로 해결할 수 있습니다. 무엇보다도 제대로만 활용한다면 배터리의 열화 가능성이 적고, 액체가 새는 것을 막기 위한 구조적 제한이 없기 때문에 유연성이 뛰어나다는 장점이 있습니다.

리튬 이온 배터리는 현대 사회의 발전에 중요한 역할을 해왔습니다. 주머니 속 기기부터 운전하는 전기 자동차에 이르기까지 모든 것을 가능하게 합니다. 전 세계 전기차 산업은 빠른 속도로 성장하고 있으며, 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 더 가볍고 안전하며 훨씬 효율적인 에너지 저장 솔루션을 제공함으로써 이 분야를 혁신할 것으로 기대됩니다.

수명이 길고 크기가 작아진 전고체 배터리는 수명이 다한 배터리로 인해 발생하는 전자 폐기물을 획기적으로 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이 배터리 기술의 기술적, 환경적 영향은 획기적일 수 있으며 전기차 산업에 혁명을 일으킬 잠재력을 지니고 있습니다.

전고체 배터리란 무엇인가?

포르쉐 타이칸 터보 S의 2단 퍼포먼스 배터리 플러스

휴대폰이나 노트북에서 볼 수 있는 기존 리튬 이온 배터리는 유리, 아황산염, 세라믹과 같은 재료를 사용하여 만들어진 액체 또는 폴리머 젤을 사용합니다. 전고체 배터리(SSB)는 이름에서 알 수 있듯이 고체 전해질 소재를 사용합니다.

전해질은 양극 단자인 캐소드에서 음극 단자인 아노드로 전자의 흐름을 원활하게 하는 전도성 물질입니다. 고체 전해질은 패키징 및 안전상의 이점 외에도 리튬 금속과 같은 다른 양극 소재를 사용할 수 있어 배터리의 에너지 밀도를 크게 높일 수 있습니다.

전고체 배터리의 역사

솔리드 스테이트 배터리를 들고 있는 엔지니어의 사진

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실용적인 전고체 배터리 기술에 대한 연구는 한 세기가 훨씬 넘도록 계속되어 왔으며, 이 개념의 첫 번째 토대는 1800년대에 '고체 전해질'을 최초로 발견한 마이클 패러데이로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 그의 배터리는 황화은과 불화납으로 만든 고체 전해질로 구성되었습니다.

마이클 패러데이, 1860년경.

1950년대에 이르러 이 기술은 전기화학 시스템에서 실제 적용되기 시작했습니다. 1990년 오크리지 국립연구소의 연구원들은 새로운 유형의 전고체 배터리를 개발했고, 이 기술은 박막 리튬이온 배터리의 기반이 되었습니다.

리튬 이온 배터리보다 안전한 전고체 배터리

리튬 이온 배터리와 전고체 배터리

기존 리튬 배터리에 사용되는 액체 전해질 용액은 보관이 까다롭고 포장을 잘못하면 충전 중에 배터리 내부에 수상 돌기가 형성되는 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 수상돌기는 양극 표면에서 자라는 종유석 형태의 물질로 정의할 수 있습니다. 이러한 수상 돌기는 배터리 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 액체 전해질 파티션에 구멍을 뚫어 셀을 단락 시켜 배터리를 폭발시킬 수 있습니다.

고체 전해질을 사용하는 고체 배터리는 현재 전기 자동차에 동력을 공급하고 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리에 비해 더 뛰어난 안전성과 성능을 제공할 것으로 기대됩니다. 전기차에 사용되는 기존 배터리 기술의 위험 요소로는 높은 인화성, 누액 위험, 고전압에서의 전해질 분해 등이 있는데, 전고체 배터리는 이러한 문제를 모두 해결할 수 있습니다.

더 높은 에너지 밀도를 자랑하는 전고체 배터리

닛산 솔리드 스테이트 배터리 사진

BMW, 폭스바겐, 현대, 닛산 등 많은 대형 자동차 제조업체들이 지난 10년 동안 솔리드 스테이트 배터리 R&D에 수백만 달러를 투자했습니다. 이러한 자동차 제조업체들의 투자는 기존 리튬 이온 기술에 대한 전고체 배터리의 주요 장점 때문입니다. 전고체 배터리는 기존 리튬 배터리에 비해 에너지 밀도가 훨씬 높습니다.

따라서 자동차 제조업체는 킬로그램당 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 배터리 크기와 무게를 줄이거나 비슷한 크기의 리튬이온 배터리보다 훨씬 더 많은 에너지를 충전하고 훨씬 더 긴 주행 거리를 제공할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리의 용량과 최대 충전 능력도 시간이 지남에 따라 성능이 저하됩니다. 리튬 이온 배터리는 또한 외부 냉각이 필요하기 때문에 귀중한 공간과 에너지를 차지할 수 있습니다. 따라서 고체 전해질은 더 안전할 뿐만 아니라 더 높은 셀 대 팩 비율, 더 가벼운 차량, 더 높은 에너지 및 전력 밀도, 더 긴 주행 거리 및 빠른 충전으로 이어집니다.

수명이 더 긴 전고체 배터리

도요타 전기차의 충전 포트

전고체 배터리는 에너지 밀도의 향상 외에도 일반 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 긴 수명을 보장합니다. 도요타는 파나소닉과 협력하여 전고체 배터리를 개발하고 있으며, 30년 사용 후에도 배터리 용량의 90%가 유지되는 배터리를 만들기 위해 1,000개 이상의 전고체 배터리 기술 특허를 보유하고 있습니다.

전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 10년 이내에 용량이 최대 3분의 1까지 줄어들 수 있습니다. 이러한 짧은 수명과 전고체 배터리에 비해 상대적으로 더 큰 차지하는 공간은 리튬이온 배터리가 쓰레기 매립지를 훨씬 더 빨리 가득 채운다는 것을 의미합니다. 2025년까지 전기차가 840만 대까지 증가할 것으로 예상되는 가운데, 전고체 배터리를 사용하면 전자 폐기물의 발생량을 크게 줄일 수 있습니다.

전고체 배터리가 환경에 미치는 영향은 무엇인가?

독일 BMW 배터리 공장에서 촬영한 2023년형 BMW iX의 프런트 엔드 및 조수석 측면 배터리 사진.

전고체 배터리의 더 작은 설치 공간과 더 긴 수명은 포장 및 효율성 측면에서도 좋을 뿐만 아니라 전고체 배터리는 배터리가 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있는 잠재력도 가지고 있습니다.

최근 교통 및 환경부가 Minviro에 의뢰한 연구에서는 전고체 배터리를 기존 배터리 기술과 비교했습니다. 이 연구에 따르면 전고체 배터리는 전기차 배터리의 이산화탄소 배출량을 3분의 2까지 줄일 수 있는 잠재력을 지니고 있다고 합니다.

또한 이 연구에 따르면 전고체 배터리는 원료를 지속 가능한 방식으로 조달할 수 있다면 기존 리튬 이온 배터리에 비해 배터리가 기후에 미치는 영향을 39%까지 줄일 수 있다고 합니다. 이는 전기차 산업을 한 단계 더 발전시키고 IC 기술을 대체할 수 있는 강력한 대안이 될 수 있는 원동력이 될 것입니다.

왜 전고체 배터리가 차세대 대세일까?

도요타 전기차의 전기 모터

전고체 배터리에 대한 연구가 2015년부터 시작되면서 전고체 배터리 분야에서 몇몇 주요 업체들이 등장하고 발전했습니다. 삼성은 은 탄소 복합재로 만든 양극재를 사용하여 수상돌기 문제를 해결하는 전고체 배터리 프로토타입을 개발했습니다. 전고체 배터리(SSB) 기술의 선구자인 일리카 테크놀로지스는 24개월 동안 800만 파운드 규모의 패러데이 배터리 챌린지 협력 프로젝트를 주도한다고 발표했습니다.

폭스바겐은 퀀텀스케이프와 퀀텀스케이프의 전고체기술에 대한 지분 5%를 확보했습니다. 퀀텀스케이프는 2022년 12월에 성능 데이터를 발표했는데, 기존 전기차에 사용되는 최고급 배터리의 에너지 밀도가 700Wh/L에 불과한 반면, 퀀텀스케이프의 전고체 배터리는 1,000Wh/L가 넘는 놀라운 에너지 밀도를 가지고 있다고 밝혔습니다.

또한 퀀텀스케이프의 전고체 배터리는 15분 만에 80% 용량까지 충전할 수 있으며 800회 충전 후에도 80%의 용량을 유지할 수 있습니다. 폭스바겐은 빠르면 2024년부터 전고체 배터리가 전기차에 동력을 공급할 수 있을 것으로 예상하고 있으며, 도요타는 2025년에 첫 번째 전고체 배터리가 탑재된 전기차를 출시할 것으로 예상하고 있습니다. 따라서 전고체 배터리는 전기 모빌리티의 미래라고 해도 과언이 아닙니다.

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