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[Tech 스토리] 배터리계 빠르고 안전한 운전사, 전해질

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고체 전해질 연구 활발...2030년 이후 상용화 전망
정부·기업 전고체 배터리에 20조원 투자해

[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 전해질은 리튬이온이 양극과 음극으로 자유로이 이동할 수 있도록 하는 물질로 일종의 통로 역할을 합니다. 전해질은 리튬이온을 빠르고 안정적으로 이동시키고 양극과 음극의 표면을 안정화해 배터리의 수명도 늘리는 기능을 합니다.

◆ 전해질, 배터리 충방전 통로...액체 상태 대중화

리튬이온배터리에서 전해질의 성분 구성과 역할. [사진=삼성SDI]

현재 대부분의 리튬이온배터리는 액체 상태의 전해질(전해액)을 사용하고 있습니다. 액체 전해질은 다양한 화학 물질로 이뤄진 유기물입니다.

전해질의 핵심은 '이온전도성' 입니다. 리튬이온을 잘 이동할 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질을 주로 사용합니다.

전해질은 리튬염(Lithium Salt), 유기용매(organic solvent), 첨가제(additive)로 구성돼 있습니다. 커피(리튬염)를 녹인 물(유기용매)에 설탕(첨가제)을 넣은 상태를 예시로 들수 있겠습니다. 염은 리튬이온이 지나갈 수 있는 이동 통로이고, 용매는 염을 용해하기 위해 사용하는 유기 액체입니다.

첨가제는 특정 목적을 위해 소량 첨가됩니다. 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하거나 리튬이 양극과 음극 사이를 원할하게 이동할 수 있도록 돕는 역할 등을 합니다. 또한 발열을 줄이거나 용량을 유지하며 내부에서의 가스 발생을 감소시키기도 합니다.

전해액은 리튬이온들만 전극으로 이동시키고, 젙자는 통과하지 못하도록 하는데, 전해액의 종류에 따라 리튬 이온의 속도가 달라집니다.

◆ 정부·기업 고체 전해질 상용화, 안간힘

리튬이온배터리에서 전해질의 역할. [사진=삼성SDI]

최근 삼성SDI가 전고체 배터리 관련 기술을 발표하며 고체 전해질에 대한 관심이 높아졌습니다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한 배터리입니다.

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삼성SDI는 지난 3월 '인터배터리 2023'에서 전고체전지 모형을 공개 했습니다. 삼성SDI는 도요타에 이어 전 세계에서 두 번째로 전고체 특허를 많이 보유하고 있는 것으로 알려져 있습니다.

전해질이 왔다 갔다 하면서 화학적인 반응을 일으키거나, 열화 현상이 일어나는 데 이 과정에서 '덴드라이트(Dendrite·수지상결정)'가 형성됩니다. 리튬 덴드라이트는 리튬 전지 내부에서 자라나는 나뭇가지 모양의 결정으로 배터리 고장과 불이 붙게 하는 주요 원인입니다. 이러한 위험성을 차단하기 위해 액체인 전해질을 고체화 한 것인 고체 전해질 입니다.

또 전고체 배터리에는 고체 전해질이 분리막의 역할을 대신하기에 분리막을 사용하지 않게 된다고 합니다.

다만 기술 개발의 장벽이 높고, 대량 양산 및 가격 경쟁력 확보는 쉽지 않을 전망입니다. 정부는 국내 배터리 3사와 함께 2030년까지 전고체 배터리 등 차체대 배터리 개발에 20조원을 투자하겠다는 계획을 내놓았습니다.

전문가들이 보는 전고체 배터리 상용화는 2027년~2030년 이후 입니다. 삼성SDI는 2027년 전고체 배터리 대량양산 시스템을 예고한 상태입니다.

배터리의 4대 소재 중 하나인 전해질 시장은 세계 전기차 시장의 급성장과 발 맞춰 빠르게 커갈 것으로 기대됩니다. SNE리서치에 따르면 2030년 전해액과 양극재, 음극재, 분리막 등 리튬이온 배터리 4대 소재의 시장 규모는 1476억 달러(약 196조원)로 성장할 전망입니다.

aaa22@newspim.com

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