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자동차/로봇 전고체전지가 자동차의 미래를 바꾼다

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-04-14 12:57:00
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지금까지 세계 경제를 말 그대로 움직여온 것은, 석탄과 휘발유 등 화석연료를 대량으로 소비하는 내연기관이었다. 하지만 연료 고갈 및 환경 문제 때문에 모빌리티의 동력원이 에너지 효율이 높고 배기가스를 억제할 수 있는 전기로 변화하고 있다.

 

HV나 EV에 탑재되어 있는 모터 등이 이에 해당되는데, 동력원인 전기를 저장하는 축전지에 의한 항속 가능 거리가 기존의 내연기관보다 짧다는 것이 한 가지 문제점이다. 그런 상황에서, 현재 주류를 이루고 있는 이온 전지를 뛰어넘는 성능을 가진 것으로 주목받게 되어, ‘전고체 전지’라는 차세대 전지가 HVㆍEV에서 서서히 실용화되고 있다.

 

자동차의 미래를 크게 바꿀 전고체 전지의 개요와 실용화를 위한 실례에 대해 간략하게 소개한다.

 

▣ 전고체 전지란

 

일상적으로 사용하는 건전지처럼, 휘발유 차에 탑재되어 있는 일반적인 배터리든 HVㆍEV의 대형 리튬 배터리든, 전지라 불리는 것은 모두 고체이다. 즉, 외관적으로는 세상의 모든 전지는 대부분 고체지만, 전고체 전지는 전류를 발생시키는 데 필요한 전해질이 기존의 액체에서 고체가 된 전지를 가리킨다.

 

전해액이란 양극과 음극 사시에서 전기를 주고받는 액체이며, 자동차의 12V 배터리에는 전해질로서 희황산액이 사용된다. 또한 현재의 전기자동차는 대부분 동력용 축전지로서 리튬이온 전지에서 발화성이 높은 유기 용매를 사용한다.

 

그럼 왜 전고체 전지에 주목하고 있는 걸까. 전지가 전기를 발생하는 구조와 액체처럼 유동적이지 않은 고체이기 때문에 가지는 특징에 그 비밀이 있는 것 같다.

 

▣ 전지가 전기를 발생시키는 구조

 

전고체 전지가 무엇인지 이해하기 위해, 먼저 전지가 전기를 발생시키는 구조를 간단히 설명한다. 간단한 전기제품을 움직이는 작은 전지를 건전지라고 하는데, 그 안에는 액체 전해질이 들어 있다. 전해질에는 둘 다 금속제인 양극과 음극이 포함되어 있으며, 음극에서는 전해질 안으로 마이너스 이온이 녹아 나온다. 한편, 양극은 음극보다 전해질이 녹기 어려운 재질로 만들어져 있으므로, 전해질 안은 마이너스 이온으로 가득 차게 된다.

 

이때, 마이너스 이온이 양극으로 이동하면 전기가 발생한다. 또한 손전등 등에서 사용하는 일회용을 일차전지, 휴대전화에 들어 있는 충전형을 이차전지라고 하며, 전해질에 따라 망간ㆍ알칼리ㆍ니켈ㆍ리튬 전지 등으로 분류된다.

 

당연히, 건전지 등의 일차전지보다 배터리 등의 이차전지, 망간ㆍ알칼리ㆍ니켈보다 리튬 전지가 출력이 높고 오래 가지만, 여러 번 사용함에 따라 각 전극ㆍ전해질이 열화되면 전기가 발생하지 않게 되어 수명이 끝나게 된다.

 

▣ 전고체 전지는 그 밖의 전지와 무엇이 다른가

 

일반적인 전지와 전고체 전지는 주 전해질이 액체인지 고체인지에 대한 차이 말고는 기본적인 구조나 주어진 역할에 큰 차이가 없다. 그리고 전 세계의 전기 회사는 오랜 세월과 거액의 연구비를 투자하여 전고체 전지를 실용화하기 위해 노력해 왔다. 왜냐하면 전고체 전지는 기존의 전지를 뛰어넘는 구조 및 성질상의 이점이 많이 있기 때문이다. 특히 자동차 업계는 HVㆍEV의 개발ㆍ제조에서는 필수라면서 일찍부터 전고체 전지의 가능성에 주목해 왔다. 관련된 주요 이점은 다음과 같다.

 

① 액체 누출이 없고 안전성이 높다 … 기존의 전지든 전고체 전지든, 전지는 전해질과 그것을 저장하는 용기, 그리고 전극으로 구성되어 있다. 그리고 사용 및 보관 시 어떠한 이유에서든 용기가 파손됐을 경우, 액체 전해질은 외부로 누출되어 발화될 위험성이 있지만, 전고체 전지는 그럴 염려가 없다.

 

② 구조ㆍ형태의 자유도가 높다 … 액체는 원래 어떤 형태로든 변화하지만, 전지의 경우에는 용기의 부피나 형태에 좌우된다. 한편, 전고체 전지는 사용하는 전기제품에 맞게 구부리거나 겹칠 수도 있고, 크기를 작게 만들거나 얇게 만들 수 있으며, 용도에 따라서는 크기를 키울 수도 있다.

 

③ 튼튼하며 수명이 길며 환경 변화에 강하다 … 전해질이 고체이기 때문에 액체처럼 유출이나 기화로 인해 증발될 우려가 적으며, 튼튼하기 때문에 온도ㆍ습도ㆍ기압 등에 따라 변질되지 않아 안정성이 높다.

 

④ 고속으로 충전 & 방전할 수 있다 … 액체 누출이나 발화의 위험성이 낮아짐에 따라, 대량의 전류를 통한 충전 시 발열을 걱정할 필요가 없어, 급속 충전을 추구할 수 있다. 또한 기존의 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높아, 작은 전지에 큰 전력을 담아 사용할 수 있다고 한다.

 

한편, 전고체 전지에는 다음과 같은 단점이 있다.

 

① 이온 전도율이 낮다 … 전해질이 고체이기 때문에 이온이 내부를 이동하기 어렵다.

 

② 전극과 전해질의 밀착도가 낮다 … 고체끼리는 전극과 전해질이 접하는 ‘계면 저항’이 커지기 때문에 전극이 변형될 경우 계속 밀착하기 어렵다.

 

③ 가격 대비 성능이 우수한 양산 체제가 마련돼 있지 않다.

 

하지만 전해질이 되는 고체 물질의 생산성 및 전도성의 향상 등 제조 기술이 발달함에 따라, 최근에는 이러한 단점들도 서서히 해결되고 있다.

 

▣ 전고체 전지 사례 - 어떤 업계에서 활용되고 있는가

 

지금까지 전고체 전지의 개요와 기존의 전지의 차이, 더 나아가 다양한 이점에 대해 해설했으니, 이번에는 전고체 전지의 개발이 어느 정도로 발전했으며, 어떤 업계에서 활용되고 있는지, 실례를 몇 가지 들어본다.

 

보청기에서 사용 - 무라타 제작소가 2021년 초에 양산을 시작

 

교토에 본사를 둔 글로벌 전자제품 기업인 무라타 제작소는 자사가 2020년 하반기에 양산하기 시작한 전고체 전지를 보청기 등에서 사용하겠다는 전망을 밝힌 바 있다. 동사는 로봇용 위치 제어 기기나 공장 등에서 환경 데이터를 수집하는 IoT 기기 등에도 채용할 예정이므로, 현재에 비해 용량이 20~30% 더 큰 전고체 전지를 개발하여, 2021년 초에 양산 체제를 확립할 계획이다.

 

동사가 새롭게 양산하고자 하는 전고체 전지는 기존 제품보다 크기는 작고 용량은 크기 때문에, 보청기 등 웨어러블 기기나 다양한 소형 디바이스에서 사용할 전망이다.

 

TDK 세계 최고의 충/방전 가능 올 세라믹 고체 전지 ‘세라차지’의 양산을 강화

 

TDK는 다른 전자부품 회사보다 빨리 표면 실장 부품(SMD)에 대응하는 ‘세라차지(CeraCharge)’를 2월부터 양산하고 있으며, 수주 상황에 따라 현재 월 3만 개를 생산하는 수준에서, 10만 개로 증가시킬 예정이다. 세라차지는 소형 패키지(4.5 x 3.2 x 1.1 mm) 정격 전압 14V, 용량 100µAh를 실현하였으며, 충/방전 사이클은 조건에 따라 다르지만, 1,000회가 가능하다고 한다. 단시간 또는 펄스 동작을 위해 수mA의 전류를 끌어낼 수 있다.

 

또한 해당 제품은 산화타이타늄이나 티탄산바륨 등의 유전체와 전극을 여러 개를 겹친 칩 형태의 세라믹 콘덴서(MLCC)와 같은 적층 기술을 바탕으로 만들어지고 있다.

 

이 기술에 의해, 기존의 충/방전이 가능한 리튬이온 전지의 높은 에너지 밀도와 최소한의 부피를 실현해 내어, 안전성과 가격 대비 성능을 양립하였다. 그 결과, 컴포넌트를 직렬ㆍ병렬로 접속하여 용량과 전압을 안전하게 증가할 수 있다.

 

이로 인해, 실시간 블록ㆍBluetooth 비콘ㆍ웨어러블 단말기나 환경 발전(發電) 시스템ㆍIoT 디바이스 등, 다양한 애플리케이션의 가능성이 넓어지고 있다.

 

 

1,000km 이상의 항속거리도 꿈이 아니다 - 적극적으로 개발하는 도요타 자동차

 

액체 누출로 인한 부식이나 발화 위험성이 낮고, 형태 및 디자인이 자유로운 데다, 고출력 및 대형/소형화가 가능하며, 튼튼하고 오래 사용할 수 있다면, EV를 개발 및 보급하는 각 자동차 회사에 있어, 전고체 전지는 그야말로 꿈의 전지라 할 수 있다.

 

그중에서도 도요타 자동차는 개발에 가장 적극적이며, 관련 특허 보유 건수가 다른 회사에 비해 월등히 많다. 2017년 10월에 개최된 도쿄 모터쇼에서는 20년대 전반에는 전고체 전지를 탑재한 자동차의 상품화를 이루겠다고 표명하였다. EV의 보급에서 가장 중요한 과제인 항속거리는 현재 300km 정도지만, EV 제작 비용의 30% 이상을 차지하는 전지를 전고체 전지로 변환하면 출력을 크게 높이고 무게도 낮출 수 있어, 장기적으로는 항속거리를 1,000km로 증가시킬 수 있다고 한다.

 

실용화되면, 항속거리가 내연기관 차량을 뛰어넘을 뿐 아니라, 개발 및 제조비용도 낮아지고 디자인성과 거주성도 향상될 것이며, 현재 수십 분이 걸리는 충전 시간도 불과 수 분으로 단축시킬 수 있다고 한다. 물론 양산 체제의 확립 등 문제는 있지만, 2020년 4월에는 파나소닉과 함께 차량 탑재용 전지 개발회사 ‘프라임 플라넷 에너지 & 솔루션즈’를 설립하여 전고체 전지의 한 축을 담당하고 있다.

 

상하이 웨이라이 자동차(NIO) 전고체 전지를 탑재한 신형차 발표

 

‘중국의 테슬라’라 불리는 EV 벤처기업 상하이 웨이라이 자동차(NIO)는 2021년 1월에, 전고체 전지로 보이는 대용량 전지를 탑재한 신형 세단을 발표, 2022년 3월부터 시장에 투입하겠다고 표명하였다. 하지만 밝혀지지 않은 부분도 많고, 전해질을 완전한 전고체가 아니라 젤 형태로 만드는 등, 일부에서는 ‘반고체 전지’라고 말하기도 한다. 일본이 한발 앞서고 있는 전고체 전지 개발 경쟁의 동향을 앞으로 크게 좌우할 가능성이 있다고 화제를 모으고 있다.

 

▣ 전고체 전지의 미래

 

현재 전고체 전지는 보급되기 시작한 HV나 EV의 가능성을 넓히는 존재로서, 각 자동차 회사와 관련 전자ㆍ전기제품 회사가 중심이 되어 거액의 자금과 노동력을 투자하여 맹렬한 개발 경쟁을 하고 있다. 하지만 수많은 이점을 생각한다면, 스마트폰ㆍ컴퓨터ㆍ태블릿PC와 같은 IoT 모바일뿐 아니라, 각종 전기제품에 탑재되는 모든 전지가 전고체 전지로 대체될 날이 와도 이상하지 않을 것 같다.

 

전지의 역사는 지금으로부터 약 220년 전인 1800년경, 전압의 단위인 ‘볼트’로서 이름을 떨친 이탈리아의 물리학자, 볼타가 구리, 주석, 식염수를 사용하여 새발한 ‘볼타 전지’로부터 시작되었다. 그때부터 우리의 생활을 풍요롭게 해준 전지. 비용이 저렴하고 양산이 가능한 전고체 전지가 탄생하게 되면, 다시금 전기와 인간의 새로운 역사가 새겨지게 되지 않을까.

 

 

[2021 국내외 전기차(EV)ㆍ수소연료전지차(FCEV) 시장ㆍ사업화 전망과 핵심기술 개발전략] 보고서 상세보기
 
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