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리튬 이온 전지를 넘어 고체 전지 시대 도전한다.

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2018-02-13 13:39:01

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전동화를 위한 가장 핵심 기술인 2차 전지, 즉 배터리 기술의 개발이 속도를 내고 있다. 2차전지는 납축 전지 중심에서 니켈수소 전지와 리튬 이온 전지로 진화했으며 2020년대에는 전고체 전지의 등장이 예고되어 있다. 납축 전지와 리튬 이온 전지는 같은 이차 전지이지만, 충전과 방전 방식이 다르다. 납 축전지와 하이브리드 전기차에 사용되어 온 니켈 수소 전지는 전극이 화학 변화를 일으킴으로써 충 방전을 실시한다.

 

그에 비해 리튬 이온 전지는 양극에 리튬 이온을 포함한 금속을 사용해 그 리튬 이온이 양극과 음극을 오가며 충 방전을 실시한다. 전극의 금속이 화학 변화를 일으키지 않기 때문에 충 방전을 반복해도 열화가 적은 내구성이 좋다는 점 때문에 지금까지는 전동화차량에 많이 사용되고 있다. 더불어 리튬 이온 배터리는 1 셀 (전지의 최소 단위)에서 얻어지는 전압이 납축 전지에 비해 크기 때문에 동일한 전류가 흐를 때의 전력이 커지는 것도 특징이다.

 

리튬이온전지는 1991년에 최초로 상용화된이후 모바일 기기와 전기차 등으로 적용이 확대되며 시장이 성장하고 있으나 성능 개선은 한계 상황에 이르렀다. 용량증가도 쉽지 않고 충전 시간은 여전히 1시간 이상이 걸린다. 그동안은 망간, 코발트, 니켈을 사용한 소위 삼원계 플러스 전극으로 상당 부분 발전했다. 그럼에도 젤 타입의 전해질로 인해 더 이상의 진전은 어려운 상황이다.
 
성능 향상을위한 노력은 계속되고 있다. 리튬 이온 배터리 셀 기술에서 높은 기술력을 확보하고 있는 삼성전자 종합기술원이 기존 리튬이온전지보다 충전 용량은 45% 향상시키면서 충전속도를 5배이상 빠르게 만들 수 있는 배터리 소재 ‘그래핀 볼’ 개발에 성공한 것이 좋은 예다.
 
기존 배터리는 고속충전 기술을 사용하더라도 완전 충전에 1시간 가까이 걸렸지만 ‘그래핀볼’ 소재를 사용한 배터리는 12분이면 완전히 충전할 수있다는 설명이다. 또한 전기차용 배터리가 요구하는 온도 기준인 60℃까지 안정성을 유지할 수 있다고 한다.
 
삼성전자 종합기술원은 강도와 전도도가 높은 그래핀을 배터리에 적용하는 방법을 찾다가 저렴한 실리카(SiO2)를 이용해 그래핀을 마치 팝콘 같은 3차원 입체 형태로 대량 합성하는 매커니즘을 규명했다.이 ‘그래핀 볼’을 리튬이온전지의 양극 보호막과 음극 소재로 활용했더니 충전 용량이 늘어나고 충전 시간을 단축하는 것은 물론 고온 안전성까지 모두 만족시키는 결과가 나왔다는 것이다. 
 
고체 전지의 완성에는 아직 시간이 필요하기 때문에 업계는 리튬 이온 배터리의 생산을 늘리고 있다. 또 다른 리튬이온 배터리 셀의 강자 LG는 유럽에서 가장 큰 규모의 배터리 전기차용 리튬 이온 전지를 생산하는 공장을 건설한다. 전기 자동차 용 리튬 이온 전지를 생산하는 유럽 최대의 공장이다. LG 화학은 이 생산 시설을 기반으로 2019년부터 폴란드 브로츠와프 근교에서 생산을 시작하며, 이 공장의 연간 생산 능력은 10만기수준에 달한다. 파나소닉의 경우중 국에 연산 20만기 수준의 생산 공장을 가지고 있으며, 기가팩토리 역시 최종 목표는 연산 50만기 수준이 될 것으로 보인다.
 
자동차 제조사들은 최근 배터리 전기차, 하이브리드 전기차, 플러그인 하이브리드 전기차 개발에 많은 투자를 하고 있다. 하지만, 무엇보다 기반이 되는 배터리 확보가 시급한 상황에서 배터리 생산 시설이 늘어나는 것은 환영할 일이지만, 장기적으로는 원료 공급의 차질이 배터리 생산에 큰 저해 요인이 될 것으로 보인다.
 
그래서 등장한 것이 전해질을 사용하지 않은 전고체 전지이다. 전 고체 전지의 실용화를 위해 자동차회사들도 적극 투자에 나서고 있다. 고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 무게를 줄일 수 있으며, 리튬이온 배터리에서 위험으로 지적되고 있는 화재 발생과 관련된 안전문제가 없다고 한다. 토요타는 파나소닉과 공동으로 2030년까지 15조원을 투자해 전 고체 전지와 금속공기 배터리의 개발에 나섰다. BMW도2억 유로를 투자해 배터리셀 개발 센터를 설립한다. 현대차그룹도 토요타, BMW와 함께 고체 배터리 개발 프로젝트에 참여하고 있다.
 
  

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