2차전지 연금술사 (3) - 차세대 배터리 : 전고체전지, 리튬에어 등 (IBK투자증권)

차세대 배터리 연구 개발 활발

현재 주력제품인 리튬이온 이차전지는 미래의 애플리케이션을 모두 감당하기에는 한계점을 보여주고 있다. 

가장 큰 문제는 에너지밀도를 무리하게 증가시키려면 폭발하기 때문이다.

최근 업계는 기존 리튬이온전지보다 안정성이 높고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 차세대 배터리를 연구중이다. 

음극재에 리튬메탈을 사용하는 리튬 금속전지(리튬-공기전지, 리튬-황전지), 양극재를 개선시킨(나트륨 이온, 마그네슘 이온), 전해질을 개선

시킨 전고체전지가 차세대 전지로 개발되고 있는 중이다.

리튬-황 배터리

리튬은 가장 가벼운 알칼리 금속이며 전지의 전압이 3.7V까지 가능해 다른 금속 대비 높은 전압을 구현할 수 있다. 

하지만 리튬은 부피당 면적이 크고 무겁기 때문에 전기자동차에 주행거리에 치명적일 수 있다. 

이러한 문제해결을 위해 양극에 황을 넣은 리튬황 배터리가 각광받고 있다.

황은 다른 금속대비 가볍고 양이 풍부해 가격이 저렴하다. 

황의 가격은 코발트 대비 약 1,500배 저렴하기 때문에 큰 장점을 갖는다. 

리튬황 전지의 최대 용량은 약 1,675mAh/g이며 밀도는 2,600Wh/Kg으로 다른 전지 대비 가격과 성능 모두 우수하다.

하지만 황은 전기전도도가 낮기 때문에 고속충방전에는 효율성이 낮은 단점이 있다.

또한 높은 전류가 흐르게 되면 리튬 음극이 손상되고 폭발위험성이 아주 높기 때문에 안정성도 취약하다.

황의 안정성과 전기전도도를 해결하기 위해 리튬 대신 실리콘을 사용하는 실리콘-황 배터리 등 여러 연구가 진행되고 있다.

리튬-에어 전지

리튬-에어 전지는 리튬과 산소의 화학반응을 이용한 전지로 충방전 과정에서 산화물의 결합과 분해를 이용한다. 

리튬 에어 배터리의 용량은 약 1,000~10,000mAh으로 리튬이온전지 대비 약 5~10배 많고 에너지 밀도도 900Wh/kg으로 5배 이상 크다.

공기중에 있는 산소가 전지에 유입되는 구조이기 때문에 산소를 미리 주입해서 사용하는 다른 전지보다 부피가 작은 장점을 갖고 있다. 

또한 금속을 이용한 전지는 폭발 위험성이 높기 때문에 에너지밀도를 상승시키기 어렵지만 리튬-에어전지는 폭발 가능성이 낮기 때문에 에너지 밀도를 최대한 높일 수 있다는 장점이 있다.

하지만 리튬-에어 전지는 산소를 이용하기 때문에 충방전시 전압 차이가 나면서 에너지 밀도를 감소시킨다. 

또한 전해질이 불안정해 분해 반응이 일어나며 공기의 반응을 일으키는 촉매재의 가격이 비싸다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 값싼 고체 및 액체 촉매재를 개발중이며 코팅으로 탄소 표면을 보호하는 연구가 진행중이다.

나트륨-이온 전지

나트륨은 리튬과 같은 알칼리 금속으로 반응성이 매우 높은 금속이다. 

또한 나트륨은 많이 존재하고 채굴하기 쉬워 리튬대비 가격이 저렴해 차세대 전지의 물질로 각광받고 있다.

나트륨-이온 전지는 리튬이온 전지의 충방전 메커니즘이 동일하며 에너지 밀도는 리튬이온전지 대비 3배 이상 높다. 

기존 리튬이온의 배터리는 500회의 충방전 사이클을 갖고 있지만 나트륨을 사용하게 되면 1,200회 싸이클이 가능해지기 때문에 효율성도 뛰어나다.

하지만 나트륨은 리튬대비 무거워 미래 자동차 배터리에 사용되기에는 어려움이 있다.

또한 리튬이온 배터리보다 전압이 낮고 적용시킬 수 있는 음극의 수가 제한되어 있다.

최적의 음극을 찾고 사용화할 수 있는 방안을 찾는게 중요하다.

전고체전지

차세대 배터리 중 가장 활발히 연구되고 있는 배터리는 전고체전지다. 

전고체전지는 전지의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체하는 배터리다. 

기존 리튬 2차전지의 작동원리와 동일하며 리튬이온 이동에 의한 충방전으로 전력이 생성된다.

고체 상태의 전해질은 액체와는 달리 온도 변화와 외부 충격에 따른 누액 위험이 없어 액체 전해질 대비 안전하다. 

또한 배터리 생산시 주액공정이 없어지기 때문에 연속 공정을 통한 다양한 형태의 다층형 셀 구현이 가능해진다.

하지만 배터리 시장이 전고체전지 중심으로 바꾸기 위해서는 시간이 아직 많이 필요하다. 

전해질을 액체에서 고체로 바꾸게 되면 충방전시 리튬이온의 이동성이 떨어지기 때문에 전지의 출력이 낮아지고 극과 전해질이 맞닿는 부분의 계면저항이 높아져 기존 리튬이온전지 대비 수명도 약해진다.

전해질 개발 동향

전고체전지는 전해질이 고체로 대체되는 배터리로 전해질이 가장 중요하다. 

전해질이란 염이 이온상태로 녹아있는 용액으로 전류가 흐를 수 있는 물질이다. 

현재 리튬이온 전지에 사용되는 전해질은 유기계 액체 물질로 리튬염이 극성 용매에 녹아 리튬이온이 이동하면서 전류가 흐르는 구조이다.

액체 전해질의 이온전도도는 10-2(S/cm) 수준으로 개발되고 있는 고체 전해질 대비 약 10~1,000배 우수하다.

대체 전해질 중 산화물계 고체전해질이 활발히 연구되고 있다. 

대표적인 산화물계 고체전해질로는 황화물, 산화물, 인산염화물 등이 있다. 

일반적으로 상온에서 최대 10-4~10-3S/cm의 이온전도도 값을 가지며 고전압 영역대 및 공기 상태에서 안정하기때문에 합성이 용이하다. 

다만 산화물계 고체전해질은 1,000℃ 이상에서 소결과정이 필요하고 고온 상태에서 리튬의 휘발성과 불순물과의 결합 문제를 갖고 있다.

황화물계 고체전해질은 산화물계 보다 더 높은 이온전도도를 갖을 수 있다. 

상온에서 10-3S/cm의 이온전도도 값을 갖을 수 있으며 활물질, 고체전해질, 도전재를 복합화한 벌크형 전고체전지에도 적용할 수 있다. 

하지만 황화물계 고체전해질은 불안정한 공기반응이 유발되고 수분 반응시 유해한 기체를 발생시키는 치명적인 문제점이 있다.

폴리머 겔 전해질은 유기액체 전해질을 폴리머 겔의 형태로 변형시킨 전해질이다. 

이온전도도 방식이 액체전해질과 같은 구조이기 때문에 안정성과 유연성이 좋고 생산성도 용이하다. 

하지만 아직 이온전도도가 액체 전해질만큼의 수준이 아니기 때문에 전지 출력이 낮다.

전고체전지 특허 출원 다수

전고체전지를 개발하는 업체들 중 10위권을 살펴보면 삼성전자를 제외한 9곳이 모두 일본 업체다. 

특히 도요타는 2006년부터 전고체배터리 개발한 만큼 가장 많은 해외 특허 건수를 기록하고 있다. 

도요타의 전고체 배터리 개발 인력은 300명이며 등록한 특허 총 수는 214건을 기록하고 있다.

도요타 이외의 일본 기업들은 전지, 재료, 화학, 학계 등 다양한 산업에서 연구중이며 일본은 전고체전지에 대한 관심이 높다고 볼 수 있다. 

일본 특허들을 살펴보면 전고체 전지 개발에 필수적인 전해액 뿐만 아니라 제조공정, 전극에 대한 특허도 출원하고 있다.

향후 일본이 전고체전지를 가장 먼저 상용화 할 가능성이 높다고 판단된다.

전고체전지의 특허 부분을 살펴보면 황화물계 특허 비중이 가장 높다. 

황화물 전해질은 전체 특허중 약 45%를 차지하고 있다. 

하지만 양산기술이나 제조 공정과 관련된 특허 건수는 9% 밖에 안되기 때문에 전고체전지의 양산 시기는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 판단된다.

아직 상용화는 멀었지만 지켜봐야 한다

리튬이온배터리 성능이 점차 한계에 다다르면서 자동차 OEM업체들과 배터리 업체들은 전고체전지 개발을 하고 있다. 

하지만 배터리의 안정성, 경제성, 제조방법 등 아직까지 수많은 난관들이 해결되고 있지 않아 업체들의 구체적인 양산 계획들은 점차 지연되고 있는 추세이다.

전고체전지가 전기차에 도입되는 시기는 최소 2025년 이후에나 가능해질 것으로 예상된다. 

2025년 전기차중 20만대가 전고체 배터리를 장착한 자동차가 생산될 것으로 예상된다. 

전기차의 약 2% 규모지만 2030년에는 10%의 전고체전지 탑재 차량이 생산될 것으로 전망된다. 

전고체전지 가격은 기존 리튬이온보다 약 5~10배 비싸다. 

이를 기반으로 추산할 경우 전고체전지의 2030년 시장 규모는 1,000억 달러 이상이 될 것으로 전망된다.

2차전지 연금술사 (1) - 전지의 개발 과정 (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/157

2차전지 연금술사 (2) - 전지 세대의 진화 (양극재, 음극재) (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/158

2차전지 연금술사 (3) - 차세대 배터리 : 전고체전지, 리튬에어 등 (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/159

2차전지 연금술사 (4) - 차세대 배터리 개발 동향 (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/160

2차전지 연금술사 (5) - 2019년 2차전지 시장 전망 및 투자전략 (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/161

리포트 원문 link : http://hkconsensus.hankyung.com/apps.analysis/analysis.downpdf?report_idx=504176

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