전고체 전지는 전지 내 인화성 유기 액체전해질을 난연성 무기계 고체전해질로 대체하여, 높은 전지 안전성을 확보함과 동시에 컴팩트한 전지팩 설계를 통해 높은 에너지밀도 달성이 가능한 차세대 이차전지이다.

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있으며, 액체 상태의 전해질을 사용하고 있다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리, 즉 분리막 없이 양극활물질, 음극활물질, 전해질로 구성되며, 배터리의 모든 요소가 고체로 되어 있다.

<그림1> 전고체 배터리와 리튬이온배터리 비교

자료 : 포스코 뉴스룸

전해질이 고체이기 때문에 상대적으로 높은 온도에서도 이용할 수 있어 일반적인 2차전지에 비해 다양한 응용처에 사용 가능하다.

일반적인 이차전지는 60℃ 이상에서 발화/폭발 사고가 발생할 확률이 높아 사용을 제한하지만 전고체 배터리는 약 170℃(박막 전고체 배터리 기준)까지 사용 가능하다.

전고체 배터리는 리튬금속을 음극으로 사용할 수 있으며, 분리막과 냉각장치가 없으므로 이에 상응하는 부피만큼 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차의 에너지원으로 주목받고 있다. (출처 : 한국과학기술기획평가원, “전고체 배터리”(2022.12.21.))

전고체 전지라는 아이디어가 열기를 띤 배경에는 리튬이온전지의 과충전 및 전극의 합선으로 인한 발열 및 발화 등의 사고가 있다. 그로 인해 리튬이온전지는 위험하다는 인식이 소비자뿐 아니라 완성차 회사에도 깊게 침투되었다. 그래서 과도한 발열 및 발화의 위험이 적은 전고체 전지에 주목하게 되었다.

기존의 리튬이온배터리 전해액은 인화성물질이기 때문에 화재 위험이 높은 단점이 있었다. 하지만, 전해액을 고체로 사용하면 인화성 물질이 아니기 때문에 화재의 위험이 없다.

<그림2> 배터리 내부에 생기는 화재, 열폭주, 폭발 과정을 설명

자료 : 엔지니어TV

또한 전고체 전지는 기존의 리튬이온전지보다 성능을 향상할 수 있고, 그로 인해 탑재량이 적어도 충분한 항속거리를 확보할 수 있다. 전해액은 전지 내에서 이동하며, 전지의 부착 방식에 따라 전해질과 전극의 접촉이 충분하지 않을 수 있지만, 고체는 언제나 전극과 균일하게 접하여 효율적으로 충방전할 수 있다.

하지만, 그 점은 닛산자동차가 NEC와 함께 개발한 라미네이트형이라면 더욱 균일하게 전해액과 전극이 접속할 수 있어 안정적으로 충방전할 수 있다. 같은 방식을 제네럴 모터스(GM)와 메르세데스 벤츠가 채용한 것을 보면 알 수 있다.

그래서 각형이라도 전고체 전지라면 탑재성을 신경 쓰지 않고 안정적인 성능을 얻을 수 있어, 효율이 향상됨에 따라 탑재량을 줄일 수 있으므로, 원가를 절감하게 되어 EV의 가격을 낮추는 데 도움이 되는 등 꿈의 전지로 일컬어져 왔다.

이처럼 뛰어난 성능을 가진 전고체 전지가 보급되지 않았던 이유는 이온을 고속으로 전도시킬 수 있는 고체 재료가 개발되지 않았기 때문이다. 이전부터 전고체 전지의 유효성은 인식되었지만, 높은 이온 전도성을 가진 고체전해질을 개발하는 것은 어려운 일이라고 생각되었다. 하지만 최근 유효한 재료가 개발되어 전고체 전지의 실용화에 대한 기대가 커지고 있다.

이미 전고체 전지는 전략적으로 연구 개발되고 있지만, 과제도 많아 본격적으로 양산하는 것은 2030년 전후가 될 것이다. 게다가 양산된다고 해도 혁신 전지의 질량 에너지 밀도가 휘발유 연료의 에너지 밀도의 5%를 넘지 못할 것이라는 견해도 있다.

앞으로 전기자동차나 휴대형 전자기기의 중요성이 더욱 높아질 것이므로, 전고체 전지의 본격적인 보급이 기대된다.

한편, 일본 시장조사업체 아스타뮤제가 2023년 9월에 발표한 자료에 따르면, 2011년 이후 각 배터리 기술에 관한 특허 출원 수 중 전고체 전지가 급속도로 증가하고 있다.

** 특허 데이터는 공개 후 데이터베이스에 추가되기까지의 타임 랙이 존재하기 때문에 2021년의 데이터는 참고값임.

<그림3> 배터리 기술별 특허 출원 건수 추이(2011~2021)

자료 : 시장조사업체 아스타뮤제

아래 표는 전고체 전지 관련 특허 출원자의 국가별 토털 페이턴트 애셋(Total Patent Asset) 상위 5위의 결과다. 국가별 랭킹에서는 일본이 출원 수와 TPA 모두 가장 높았고, 그 뒤를 중국과 한국이 따르고 있다.

특히 일본은 출원 수와 TPA 모두 2위인 중국보다 1.5배 앞서 나가고 있어, 전고체 전지 분야에서 일본이 우위성을 보이고 있다.

<표1> 전고체 전지 기술의 특허 출원에 관한 국가별 토털 페이턴트 애셋(상위 5개국)

자료 : 시장조사업체 아스타뮤제

아래 표는 기업별 랭킹이다. 자동차 기업과 화학계 기업, 전자부품 기업이 많이 자리하고 있다.

선두로 평가되는 일본의 기업 중에는 토요타 자동차, 파나소닉 홀딩스, 후지 필름 이노베이션, 이데미쓰코산이 포함되었다. 또한 개별 점수를 보면, 전고체 전지 제조 기술에 관한 특허뿐만 아니라 전극, 고체 전해질용 황화물 및 세라믹 재료 등의 부재에 관한 특허도 높은 평가를 받고 있다.

<표2> 전고체 전지 기술의 특허 출원에 관한 기업별 토털 페이턴트 애셋(상위 10개사)

자료 : 시장조사업체 아스타뮤제