전고체 배터리란?(원리, 구조, 장단점)

전고체 배터리(SSB, Solid-state Battery)는 배터리의 전해질과 분리막이 불연성 고체전해질을 사용하는 배터리입니다. 전해질은 이온이 이동할 수 있는 매개체를 말하며 기존 리튬이온 배터리는 전해질이 액체상태로 놓여있습니다. 하지만 전고체 배터리는 외부 충격을 받더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 기존 리튬이온 배터리보다 안전성 및 충전 성능 등이 높다고 평가받고 있습니다.

 

 

 

 

리튬이온 배터리와 전고체 배터리 원리 

배터리의 작동원리를 알기 위해서는 기본적인 구조를 알아야 합니다. 대표적인 구조는 양극재(+), 음극재(-), 분리막, 액체전해질로 구성되어 있습니다. 분리막은 +전극과 -전극을 구분하고 가로막는 역할을 함과 동시에 리튬이온이 왔다 갔다 할 수 있는 통로 역할도 하고 있습니다.

전해질은 +전극과 -전극사이를 전하가 원활하게 이동할 수 있게 해주는 역할을 하며 양극재(+)는 리튬으로 되어 있고 음극재(-)는 흑연이나 탄소로 되어 있습니다. 흑연 혹은 탄소로 되어 있는 이유는 리튬 이온을 안정적으로 저장했다가 방출하는 구조를 가지고 있기 때문이며 이러한 특성을 이용하여 충전과, 방전의 원리를 가질 수 있습니다. 

리튬 이온 배터리 원리(충전상태와 방전상태)

리튬이온 배터리가 충전과 방전을 할 수 있는 원리는 아래와 같습니다.

전류를 가하게 되면 양극(+)에 있던 리튬 양이온들이 (-) 음극으로 이동을 하게 되는데 이때가 충전이 되는 원리입니다. 반대로 전류를 멈추면 음극(-)으로 이동해 있던 리튬 양이온들이 리튬 음이온들과 안정된 상태를 만들기 위해 자연적으로 양극(+) 극으로 이동을 하게 됩니다. 이때가 방전이 되는 원리이며, 전고체 배터리도 동일한 원리 작동 됩니다. 

 

 

 

 

전고체 배터리 구조

양극과 음극사이에 분리막과 전해질 역할을 하는 고체 분리막은 전기 절연 특성이 있으며, 양극에 흑연 구조 대신 리튬 금속으로 대체하여 적용되고 있습니다. 따라서, 기존 리튬이온 배터리와 작동 원리는 동일하지만 고체 분리막이 적용되어 있다는 점에서 다른 구조특성을 지니고 있습니다. 따라서 기존 리튬이온배터리보다 구조적으로 작게 설계될 수 있지만 비용이 다소 높습니다. 또한 액체 전해질이 없기 때문에 안전성이 향상될 수 있습니다. 

전고체 배터리 구조(리튬 금속 배터리)

 

전고체 배터리 장점

• 기존 리튬이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 설계적으로 더 작게 만들 수 있습니다. 에너지 밀도는 보통 리튬이온 배터리보다 2~2.5배 높다고 알려져 있으며, 순수한 금속 양극을 적용하면서 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 
• 리튬이온 배터리보다 훨씬 안전한 상태를 유지할 수 있습니다. 그 이유는 액체 전해질이 없기 때문입니다. 구조적으로 고온 성능이 좋은 고체 전해질을 사용함으로써 안전성을 확보할 수 있습니다. 
• 리튬이온 배터리보다 충전시간이 훨씬 줄어듭니다. 대략 6배 정도 빠르게 충전할 수 있다고 알려져 있습니다.

 

전고체 배터리 단점

• 제조공정이 복잡하고 까다롭습니다. 순수한 고체 전해질을 배열하는 공정이 정밀해야 하기 때문에 생산 설비가 매우 중요합니다. 따라서 비용 또한 높습니다. 

 

배터리 기술은 불소 배터리, 암모니아 배터리, 리튬 황 배터리, 그래핀 배터리 등 많은 대체물질이 지속적으로 개발 중에 있습니다. 따라서, 성능과 안전성을 확보하는 배터리가 조만간 개발될 것으로 보고 있습니다.