2.차세대이차전지 전고체배터리

 

 

 

 

 

 

 

 

●차세대이차전지  전고체배터리

 

 

 

 

 

 

 

전고체 베터리는 배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로, 에너지 밀도가 높으며 대용량 구현이 가능하다. 또 전해질이 불연성 고체이기 때문에 발화 가능성이 낮아 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 꼽힌다.전기를 흐르게 하는 배터리 양극과 음극 사이의 전헤질이 액체가 아닌 고체로 된 차세대 2차전지(충전해서 반영구적으로 사용하는 전지)이다. 현재 가장 많이 사용되는 2차전지인 리튬이온배터리는 액체 전해질로 에너지 효율이 좋지만, 수명이 상대적으로 짧고 전해질이 가연성 액체여서 고열에 폭발할 위험이 높다. 반면 전고체 배터리는 전해질이 고체이기 때문에 충격에 의한 누액 위험이 없고, 인화성 물질이 포함되지 않아 발화 가능성이 낮아 상대적으로 안전하다. 또 액체 전해질보다 에너지 밀도가 높으며 충전 시간도 리튬이온 배터리보다 짧다. 여기다 대용량이 구현이 가능해 완전 충전할 경우 전기차의 최대 주행거리를 800km로 늘릴 수 있다. 특히 전고체 배터리는 확장성이 높아 플렉서블(flexible) 배터리로 활용할 수 있어 리튬이온 배터리를 대체할 기술로 주목받고 있다. 그러나 고체 전해질의 경우 액체 전해질보다 전도성이 낮아 에너지 효율이 떨어진다는 문제가 있다

 

 

 

 

 

 

고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지 종류가 있다. 산화계는 저항이 높아 소형전지에 주로 적용하고, 폴리머는 액제전해질 기술과 유사하고 제조 공정도 비슷해 비용 경쟁력을 갖추었다고 볼 수 있다. 황화물계는 가장 높은 이온전도도를 보유하고 있으며, 높은 에너지밀도를 구현할 수 있어 활발한 연구가 진행되고 있다.전고체배터리는 인화성 액체가 없기 때문에 폭발 및 화재 위험이 감소하고,  고체 전해질이 분리막을 대체할 수 있으며, 전해질이 훼손되더라도형태를 유지할 수 있어 리튬이온배터리보다 안전히다.또한 전고체배터리는 배터리 용량 확대와 사이즈 축소를 동시에 구현하며 장거리 수명 확보(1회 충전 800km 주행)도 가능해 '꿈의 배터리'로 인식되고 있디.전고체배터리 시장은 아직 개발 초기 단계이고,  전해질과 양극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서의 저항을 최소화 해야하는 등 기술적 과제를 해결해야 하는 점들이 남아있다.전고체 배터리거 전기차용 차세대 배터리로 급부상하면서 자동차 업체와 배터리 개발 업체간에 협업이 활벌해지고 있다.도요타와 파나소닉은 자동차용 배터리 생산을 위해 "프라임 플리닛 에너지 앤드 솔루션스"를 설립했으며, 독일 폭스바겐은 퀀텀스케이프와 2025년 양산 라인을 구축하기로 하고, 국내에서는 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온, 현대차 등이 2025-2030년 양산 목표로 기술개발 및 협력방안을 구축하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

◈ 전해질의 종류에 따른 장단점  비교

 

 

전해질 종류	장점	단점	대표 조성
액체 전해질	높은 리튬이온전도(-10-2S/cm)함침에 의한전극/전해질 접촉	안정성 한계 고온에서 안정정 저해	리튬염+유기용매 LiPF+Carbonate
황화물계	액체근접이온전도도(10-2 -10-3)전극/전해질간 계면 형성용이	수분안정성취약 양/음극-고체전해질 부반응	결정질 LGPS, LPSCI
산화물계	안정성 우수	이온전도도 불충분,고온열처리필요	LIPON, LIZO
고분자계	생산/가공성용이 세라믹전해질대비 경량	낮은 이온전도도	PEO

 

 

 

 

 

 

 

기존 전해질을 배터리에 그대로 사용하면 화재 위험에서 자유로울 수 없다. 때문에 전해액 소재를 황화물계, 고분자계 등 전해질 소재를 사용하면서 배터리 충방전 성능을 높이는 기능성 소재가 반드시 필요하다. 따라서 고체 전해질, 리튬메탈 음극재 등 신소재 개발을 서두르고 있는 것으로 파악된다.전고체 배터리는 배터리 업체 혼자만 잘해서 완성될 수 없기 때문에 소재, 부품, 장비 업체와 개발을 위해 유기적으로 협력해야 가능하다.전해액 대체재로 황화물계 고체 전해질이 핵심으로 꼽히고 있다. 황화물 전해질은 전고체의 이온 전도도를 개선하는 역할의 소재다. 포스코제이케이(JK)솔리드솔루션이 개발한 전해질이 대표 황화물계 고체전해질이다.포스코JK솔리드솔루션은 포스코와 삼성의 협력사인 정관이 합작한 고체 전해질 전문 소재 업체다. 황화물계 고체 전해액 생산 규모는 10톤 남짓이다. 전기차용 전고체 배터리 제품 테스트 단계에 있다.포스코JK솔리드솔루션은 삼성SDI와 국책 과제 소재 개발 방식으로 황화물계 전해질 제품에서 협력하고 있다. 동화일렉트로라이트, 솔브레인, 롯데에너지머티리얼즈, 에코프로비엠 등 기존 소재 협력사와도 신소재 개발 협력을 추진하고 있는 것으로 알려졌다.

 

 

 

 

 

 

 

 

리튬메탈 음극재는 전고체 에너지 밀도를 개선하는 소재다. 흑연 대신 리튬메탈 금속 기반의 음극재를 사용하면 셀당 에너지 밀도를 획기적으로 올릴 수 있다. 때문에 포스코케미칼, 한국메탈실리콘, 대주전자재료 등 전문 소재 업체와 협력이 검토되고 있다.이 밖에 장비, 부품을 개발하거나 셀뿐 아니라 모듈, 팩 제조 기술을 이용하는 방식으로 전고체 배터리 상용화를 앞당기기 위한 기술 개발이 고려되고 있다. 미래컴퍼니, 씨아이에스 디에이치 등 국내 장비 업체가 손잡고 전고체 배터리 장비 개발하는 사례도 추진되고 있다.전기차 배터리 시장은 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온과 같은 기존 리튬이온 배터리 업체들을 중심으로 폭풍 성장했다. 국내 3사 외에도 일본 파나소닉, 중국 CATL도 마찬가지다. 테슬라, GM, 포드 등 완성차 회사들의 구애를 받으면서 폭발적으로 성장했다.전고체 배터리는 안정성과 주행거리를 늘릴 수 있어 차세대 전기차 배터리로 주목 받지만 아직 누구도 상용화하지 못했기 때문에 완성차 업계에서는 '게임체인저'로서 주목하고 있다. 즉, 기존 리튬이온 배터리 업체에 종속되지 않고 배터리 공급 판도를 바꿀 수 있기 때문에 전고체 배터리 상용화 경쟁이 불붙고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

실제로 토요타, 제너럴모터스(GM), 현대자동차 등은 전고체 배터리를 직접 개발하거나 글로벌 배터리 업체에 투자하는 방식으로 배터리 내재화 계획을 서두르고 있다.토요타는 일본 배터리 업체 파나소닉과 배터리 합작사를 세웠다. 합작사를 통해 전고체 배터리 상용화를 추진하고 있다. 파나소닉의 배터리 인력이 합작사로 이동해 생산에 나서고 있는 것으로 알려졌다.LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 기존 배터리 업체들은 차세대 전기차에서도 주도권을 이어가기 위해 전고체 배터리 상용화를 서두르고 있다.한화, 롯데 등 대기업도 전고체 배터리 시장에서 새로운 기회를 발굴하기 위해 움직이고 있다. 한화솔루션은 최근 미국 전고체 배터리 소재 기업에 10% 지분 투자를 확정하기도 했다. 롯데는 전고체 소재 쪽 투자를 진행 중이다. 전고체 배터리 상용화가 성큼 다가오고 있다는 신호들이다.글로벌 배터리 제조사들은 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다. 삼성SDI는 삼성전자 종합기술원과 함께 2027년 상용화를 목표로 개발 중이며, 고체배터리의 기술 난제(덴트라이트)를 해결할 수 있는 원천기술등을 확보하며 차세대 배터리에 대한 자신감을 드러낸 바 있으면, 이에 맞춰 배터리 소재 업체도 고체전해질 생산 본격화 등 사업 포트폴리오강화에 나서는 중이다. LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고 캘리포니아대(UCSD)와 함께 상온(25도 수준)에서 황화물계 전고체 배터리 개발에 성공하였다.2027년 양산을 목표로 프로젝트를 진행하고 있다. SK온도 미국 전고체배터리 업체 솔리드파워에 360억원 투자하며 전고체 배터리를 공동 개발하고 2030년 상용화를 목표로하고 있다. 글로벌 완성차 역시 전고체배터리 상용화에 박차를 가하고 있다.현대차는  2025년 전고체배터리를 탑재한 전기차의 시범 양산을 시작으로 2030년 본격 양산하는 차세대 전지 로드맵을 공식화하였다. BMW는 2025년 전고체 배터리 시제품을 개발하고, 2030년까지 전고체배터리를 탑재한 전기차 양산을 밝혔으며, GM은 미국 전고체배터리 업체 SES에 투자하면서 전고체배터리 시대에 대비를 하고 있다. 전고체배터리 시장의 수요전망은 2025년 30 기가와트사(Gwh), 2030년에는 160 기가와트시(Gwh)로 늘어날 전망이다.

 

 

 

 

 

 

 

  ◈전고체 베터리 관련주

 

 

 

 

 

이수스페셜티케메칼	전고체배터리 전해질 원료 황화리튬 개발
레이크머티리얼즈	황화리튬을 고가 원재료 없이 대량 생산할 수 있는 개발에 대한 특허보유
롯데에너지머티리얼즈	황화물계 고체 전해짉 개
레몬	세계 최고 수준의 고강도, 열 안정성, 박막화의 전기자동차용 고체 전지 전해질 지지체의 개발에 성공
한농화성	전고체 배터리의 고분자 전해질 핵심요소인 가소제, 가교제 개발
원준	전고체전자용 열처리 장비 개발/공급
싸아이에스	고체전해질 개발, 고체전해질 생산라인 구축
엘앤에프	전고체 배터리용 단결정 양극재 개발중
에코프로비엠	아수스페셜티케미칼로부터 황화리튬을 공급받고 전고체 배터리 개발중
테이팩스	전고체전지 관련 핵심소재개발성공 특허 취득

아바코	전고체 전해질을 고속으로 증착하는 공정과 장비 개발
엘티씨	전고채 배터리 SOFC 전해질 기술 보유
포스코JK솔리드솔루션	황화물계 고체 전해질 개발
이수스페셜티케미칼                        국내 최초로 황화리튬을 개발 에코프로비엠과 마국 솔리드파워에 공급

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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