전고체 배터리와 리튬 이온 배터리 비교, 설명

전고체 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높고, 제조 시간이 짧으며, 급속 충전이 가능하고, 화재 위험이 적습니다. 전기 자동차의 성능을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
 
하지만 전고체 배터리는 재활용의 어려움, 리튬과 같은 주요 재료의 부족, 단락을 일으킬 수 있는 수상돌기 형성 등의 문제에 직면해 있습니다. 이러한 요인들은 광범위한 채택과 상용화에 영향을 미칩니다.
 
이러한 어려움에도 불구하고 BMW, 니오, 도요타, 닛산과 같은 주요 자동차 회사들은 전고체 배터리 기술에 투자하고 있으며 향후 전기 자동차 라인업에 이를 통합하기 위해 노력하고 있습니다. 전고체 배터리의 대량 생산으로의 전환은 2030년 이후에 이루어질 것으로 예상됩니다.

자동차 산업이 지속 가능한 모빌리티로 전환함에 따라 한 가지 중요한 요소, 즉 배터리가 주목받고 있습니다. 현재 대부분의 전기 자동차는 리튬 이온 배터리로 구동되며, 리튬 이온 배터리가 시장을 지배하고 있습니다. 그러나 전고체 배터리의 획기적인 기술은 전기차 성능을 혁신하고 기존 리튬 이온 배터리의 주요 한계를 해결할 수 있을 것으로 보입니다.

더 긴 주행거리, 더 빠른 충전 시간, 더 가벼워진 무게, 강화된 안전성, 전반적인 효율성 향상을 갖춘 전기차를 상상해 보세요. 우리는 수십 년 동안 스마트폰, 가전제품, 심지어 차량까지 리튬 이온에 의존해 왔지만, 더 나은 방법이 있을 수 있습니다.

전고체 배터리는 이를 실현할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. BMW 그룹, 닛산, 도요타 같은 주요 기업들이 연구 개발을 주도하면서 이 첨단 동력원은 친환경 운송 수단 경쟁에서 빠르게 두각을 나타내고 있습니다. 이 글에서는 리튬 이온 배터리와 비교하여 전고체 배터리의 장점과 단점, 그리고 전기 자동차의 미래에 미칠 잠재적 영향에 대해 살펴봅니다. 물론 리튬 배터리와 전고체 배터리는 조만간 정면으로 맞붙게 될 것이기 때문에 비교해 보는 것도 의미가 있을 것입니다.

전고체 배터리와 리튬 이온 배터리의 차이점

전고체 배터리와 리튬 이온 배터리는 각기 다른 방식으로 작동합니다. 리튬 이온 배터리는 양극과 음극 모두에 리튬 이온을 저장합니다. 이러한 이온은 전해질을 통해 운반되어 충전 중에는 음극에서 양극으로, 방전 중에는 그 반대로 이동할 수 있습니다. 리튬 이온이 전해질을 통해 이동하면서 양극에서 전자가 생성되어 양전하를 생성합니다.

반면에 전고체 배터리는 고체 전극과 전해질을 사용하여 한계를 뛰어넘고 있습니다. 전고체 배터리는 더 빠르게 충전되고, 더 넓은 주행 거리를 제공하며, 상대적으로 크기가 작지만, 수상 돌기가 더 빨리 발생하여 배터리 수명이 짧아지는 단점이 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리에 매료되든, 전고체 기술의 혁신에 매료되든 한 가지 분명한 사실은 변함이 없습니다. 이 배터리는 전기차에 전력을 공급하는 데 중요한 역할을 하는 다른 작동 모드를 제공한다는 점입니다.

전고체 배터리와 리튬 이온 배터리 비교

	전고체 배터리	리튬 이온 배터리
전해질	고체	액체
에너지 밀도	높음	낮음
제조	견고하고 고가	안정적이고 합리적인 가격
안전성	열 폭주 위험 낮음	열 폭주 위험 있음
자체 방전	낮음	높음
상업적 활용 가능성	아직 생산 초기 단계	쉽게 이용 가능

또한 현재 전고체 배터리의 가격이 리튬 이온보다 비싸기 때문에 전고체 배터리를 사용하는 제품이 많지 않다는 점도 기억해야 합니다. 제조업체는 일반적으로 제품이나 부품을 대량으로 주문해야 할인 혜택을 받을 수 있는데, 전고체 배터리는 그렇지 않습니다.

솔리드 스테이트는 상당히 새로운 기술입니다: 리튬 이온 배터리와 솔리드 스테이트 배터리 기술을 비교할 때, 리튬은 수십 년 동안 성공적으로 입증된 기술이라는 점을 기억해야 합니다. 솔리드 스테이트는 자동차 업계에서는 아직 다소 생소한 기술입니다.

리튬 이온 배터리의 흥망성쇠

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리튬 이온 배터리를 만들고 고장내는 것에는 고려해야 할 장점과 단점이 있습니다. 배터리로 작동하는 진공청소기, 전기 자동차, 심지어 배달 트럭 전체에 동력을 공급하는 등 수십 년 동안 리튬이온 배터리에 의존해 왔다는 사실을 기억해 보세요. 리튬 이온은 때때로 나쁜 평을 받기도 하지만, 리튬 이온이 없었다면 오늘날의 많은 기술이 존재하지 않았을 것입니다.

장점
유지보수 필요 없음
배터리 관리 시스템
높은 에너지 밀도 및 가벼움
낮은 자체 방전율

단점
니켈 기반 배터리에 비해 높은 생산 비용
인화성 전해질

리튬 이온 배터리 사용의 주요 장점 중 하나는 유지보수가 필요 없다는 점입니다. 리튬 이온 배터리는 다른 배터리 유형과 달리 완벽한 성능을 유지하기 위해 적극적인 유지 관리가 필요하지 않습니다. 흥미롭게도 대부분의 리튬 이온 배터리에는 배터리 관리 시스템(BMS)이라는 보호 회로 기판이 있습니다. BMS는 배터리 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 과충전 및 과방전을 방지하는 차단 스위치 역할을 합니다.

에너지 밀도 측면에서 리튬 이온 배터리는 납산 및 니켈 수소 배터리와 같은 기존 배터리 기술과 비교해 보았을 때 단연 최고입니다. 가볍고 에너지 밀도가 높기 때문에 더 오랜 시간 동안 디바이스에 전원을 공급할 수 있습니다. 따라서 이 배터리는 전기 자전거와 자동차를 비롯한 다양한 휴대용 기기에 전원을 공급하는 데 널리 사용됩니다.

리튬 이온 배터리는 다른 기존 배터리에 비해 자체 방전율이 현저히 낮습니다. 물론 고체 배터리는 화학반응과 누출이 적은 고체 전해질을 사용하기 때문에 방전 속도가 훨씬 더 낮습니다. 리튬 이온 배터리는 서늘하고 건조한 곳에 제대로 보관하면 월 충전량의 약 2~5%가 손실됩니다.

리튬 이온 배터리는 사용하지 않는 기간 동안에도 충전 상태를 유지할 수 있어 자주 사용하지 않는 전기차에 이상적입니다. 하지만 리튬 이온 배터리에는 잘못 다루거나 손상될 경우 인화성이 있는 액체 전해질이 포함되어 있다는 점을 기억해야 합니다.

리튬 배터리의 장단점: 리튬 배터리는 오랜 성공의 역사를 가지고 있지만, 안전성에 대한 의문이 꾸준히 제기되고 있습니다.

전고체 배터리의 장점과 단점

전고체 배터리 기술로 넘어가면 전기차나 대형 화물차에도 사용할 수 있는 많은 장점이 있습니다. 이러한 배터리를 사용하면 더 안전하고 강력하게 충전할 수 있으며 폭발이나 화재의 위험도 줄어듭니다. 이러한 유형의 배터리 주변에는 액체가 움직이지 않기 때문에 온도가 상승하거나 기타 급속 충전 시 *전반적으로* 더 안전합니다.

장점
더 높은 에너지 밀도
제조 시간 단축
빠른 충전 기능
화재 위험 감소

단점
재활용 문제
주요 재료의 희소성
수상 돌기가 단락을 일으킴
비싼 초기 상용화 비용

전고체 배터리의 주요 장점 중 하나는 에너지 밀도가 높다는 점입니다. 에너지 밀도가 높은 전고체 배터리는 전기 출력이 동일하게 유지되더라도 전기 자동차의 주행 거리를 늘릴 수 있습니다. 즉, 더 가볍고 효율적인 전기차가 한 번 충전으로 더 먼 거리를 주행할 수 있습니다.

기존의 리튬 이온 배터리는 제조 공정에서 충전 및 컨디셔닝 단계를 포함한 여러 단계를 거쳐야 합니다. 반면, 전고체 배터리는 이러한 단계를 제거하여 제조 시간을 크게 단축하고 전체 비용을 절감하며 생산 효율성을 개선합니다. 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리의 안전 문제없이 빠른 충전 기능을 제공합니다.

리튬 이온 배터리는 완전히 충전하는 데 상당한 시간이 걸리는 반면, 전고체 배터리는 15분 만에 완전 충전이 가능합니다. 충전 시간이 단축되면 편의성이 향상되고 장거리 여행 시 전기차를 더욱 실용적으로 사용할 수 있습니다.

전고체 배터리는 액체 전해질이 없기 때문에 안정성이 향상됩니다. 열 폭주가 발생하여 연쇄 반응과 화재로 이어질 수 있는 리튬 이온 배터리와 달리 고체 배터리는 고출력 충전 중에도 상대적으로 안전합니다.

동전의 양면: 전고체 배터리 기술은 너무 새롭기 때문에 그 성공 여부에 대한 장기적인 데이터가 충분하지 않습니다.

재활용 및 가용성 부족으로 전고체 배터리 개발이 중단될 수 있다.

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그러나 전고체 배터리를 재활용하기 위해서는 여러 가지 장애물이 있습니다. 현재 리튬 이온 배터리의 재활용 공정은 니켈과 코발트 같은 소재에는 비교적 효율적이지만 흑연과 리튬에는 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 특정 부품에 대한 폐쇄 루프 재활용 시스템이 확립되어 있지 않기 때문에 전반적인 환경 영향이 복잡해지고 향후 공급망에 부담이 됩니다.

이러한 재활용 문제를 해결하는 것은 전고체 배터리의 지속 가능한 생산과 소비를 보장하는 데 매우 중요합니다. 전고체 배터리를 개발하고 채택하는 데 있어 또 다른 중요한 과제는 주요 재료, 특히 리튬의 희소성입니다. 전고체 배터리는 현재의 리튬 이온 팩보다 훨씬 더 많은 리튬을 필요로 할 수 있으며, 이는 전 세계적으로 제한된 공급량을 더욱 악화시킬 수 있습니다. 전고체 팩의 효과적인 재활용 방법이 없다면 충분한 리튬 자원을 확보하는 것이 이 배터리 기술의 광범위한 채택을 방해할 수 있는 문제가 될 수 있습니다.

수상돌기를 조심하세요!

단락을 일으킬 수 있는 가지 모양의 금속 구조물인 수상 돌기는 리튬 이온 배터리와 전고체 배터리 모두에서 관찰되었습니다.

연구자들이 수상돌기 성장을 억제하는 솔루션을 찾기 위해 적극적으로 노력하고 있고 혼다가 획기적인 해결책을 찾았지만, 대량 생산이 가능한 기술을 구현하는 데는 몇 년이 걸릴 수 있습니다. 기존의 리튬 이온 배터리 제조에서 전고체 배터리 생산으로 전환하려면 새로운 공장, 절차, 비용 효율적인 확장 전략이 필요합니다. 전고체 배터리는 시간이 지남에 따라 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 초기 상용화에는 높은 가격이 책정될 가능성이 높습니다.

수상 돌기와 재활용 문제: 전고체 배터리는 전례 없는 재활용 문제에 직면해 있을 뿐만 아니라 장기간에 걸쳐 수상 돌기가 발달합니다.

전고체 배터리의 진화로 전기차의 미래가 기대된다

결론적으로, 전고체 배터리와 리튬 이온 배터리의 비교를 통해 에너지 저장 분야의 흥미로운 기술 발전을 조명해 보았습니다. 두 배터리 유형 모두 장단점이 있지만, 전고체 배터리는 전기 자동차의 미래를 위한 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.

그러나 전고체 배터리 대량 생산으로의 전환은 아직 몇 년이 더 걸릴 수 있으며, 현재 추정치에 따르면 2030년 이후에나 가능할 것으로 보입니다. 리튬 이온 배터리는 당분간 시장에서 지배적인 위치를 유지할 것입니다.

대형 기업의 투자

이러한 어려움에도 불구하고 BMW, 니오, 도요타, 닛산과 같은 선도 기업들은 전고체 배터리 기술에 투자하고 있으며 향후 전기차 라인업에 이를 통합하기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 닛산은 2028년까지 자체 생산한 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 고객에게 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다.

닛산의 이러한 노력은 이 기술의 잠재력에 대한 강한 믿음을 나타냅니다. 이는 앞으로 몇 년 안에 상당한 진전이 이루어질 수 있음을 시사합니다. 전기 자동차의 미래를 향해 나아가고 있는 지금, 전고체 배터리가 대규모로 상용화되기까지 독창적인 연구자들과 열성적인 제조업체들이 조금씩 미세 조정하고 손보는 과정이 기다리고 있습니다.

https://www.topspeed.com/solid-state-batteries-vs-lithium-ion-batteries/

Explained: Solid-state Batteries vs Lithium-ion Batteries