한국전자통신연구원(ETRI)이 차세대 배터리로 주목받는 전고체 이차전지의 핵심 기술인 초박막 고체전해질막 개발에 성공했습니다. 이는 기존 리튬이온전지를 대체할 전고체 이차전지 상용화의 중요한 전환점이 될 전망입니다. 이번 글에서는 전고체 배터리가 무엇인지, ETRI 연구결과, 전망 등에 대해서 알아보겠습니다.
1. 전고체 이차전지란?
전고체 이차전지는 기존 리튬이온전지의 액체전해질을 고체전해질로 대체한 배터리입니다.
이로 인해 발화, 폭발, 누액과 같은 안전 문제를 원천적으로 차단하면서도 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
전고체 이차전지는 전기차, 에너지 저장 장치(ESS), 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에서 기존 전지 기술의 한계를 뛰어넘을 차세대 에너지 솔루션으로 평가받고 있습니다.
2. ETRI의 혁신적인 연구 결과
ETRI 연구진은 기존 전고체 전지 기술의 주요 한계였던 고체전해질막의 두께 문제를 극복하며 다음과 같은 혁신을 이뤄냈습니다.
2.1. 초박막 고체전해질막
- 두께: 기존 상용 리튬이온전지 분리막 두께(10~20㎛)에 근접한 18㎛를 구현.
- 기술적 성과: 기존 고체전해질막 두께(수백 ㎛~1㎜) 대비 10배 이상 얇아졌으며, 에너지 밀도와 이온전도성을 동시에 향상.
2.2. 건식공정 도입
- 건식공정: 용매를 사용하지 않고 고체전해질 분말과 섬유화 바인더를 기계적으로 혼합해 초박막을 제작.
- 장점: 환경오염 물질 배제를 통해 친환경 제조가 가능하며, 기존 슬러리 기반 공정보다 간단하고 빠름.
2.3. 바인더 기술 최적화
- 연구진은 바인더 소재의 분자량과 섬유화 얽힘 정도 간 상관관계를 규명하고, 이를 바탕으로 최적의 전단 공정 표준을 개발.
- 결과: 최대 98%의 고분자 바인더 섬유화를 유도, 견고한 구조를 형성해 고체전해질막의 내구성과 이온 전달 성능을 향상.
3. 연구의 주요 성과
- 에너지 밀도 증가: 기존 1㎜ 두께 고체전해질막 대비 최대 10배의 에너지 밀도 향상.
- 셀 부피와 무게 감소: 고체전해질막이 얇아짐으로써 셀 크기와 무게를 대폭 줄여 전고체 전지의 효율을 극대화.
- 안정성 향상: 파우치형 셀에서 안정적인 충·방전 결과를 확인해 상용화 가능성을 입증.
4. 차세대 전지 개발의 의미와 전망
이번 연구 성과는 고체전해질박막의 초박막화를 간단하고 경제적인 공정으로 구현한 혁신적 기술입니다.
이를 통해 기존 기술의 한계를 극복하고 다음과 같은 가능성을 열었습니다.
4.1. 상용화 가능성
- 가격경쟁력: 얇고 견고한 고체전해질막 개발로 대량 생산이 가능해져 상용화 비용 절감.
- 환경 친화성: 건식공정을 활용해 환경오염을 유발하는 용매 사용을 원천 차단.
4.2. 다양한 분야로의 응용
- 전기차: 더 가벼운 배터리와 높은 에너지 밀도로 주행 거리 확대.
- ESS: 에너지 저장 용량과 안전성을 모두 충족하는 차세대 ESS 배터리 개발.
- 소형 전자기기: 경량화와 안정성을 겸비한 소형 고성능 배터리 구현.
4.3. 글로벌 배터리 시장에서의 우위 확보
- 한국은 이번 기술을 통해 차세대 배터리 시장의 선도국으로 자리 잡을 수 있는 기반을 마련했습니다.
특히, 글로벌 전기차와 ESS 시장의 급성장에 따라 고성능 전고체 배터리 수요가 급증할 전망입니다.
5. 2차전지와 전고체 배터리의 주요 활용 분야
5.1 전기차(EV)
전고체 배터리는 더 가벼운 무게와 높은 에너지 밀도로 전기차 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축할 수 있습니다. 특히 폭발 위험성이 낮아 안전성이 중시되는 전기차 배터리로 최적화되어 있습니다.
5.2 에너지저장장치(ESS)
ESS는 재생에너지를 저장하고 필요할 때 공급하는 장치로, 전고체 배터리는 더 높은 에너지 효율과 안정성을 제공합니다. ESS 시장의 성장과 함께 전고체 배터리 수요도 크게 늘어날 전망입니다.
5.3 소형 전자기기
스마트폰, 노트북, 웨어러블 디바이스 등에서도 전고체 배터리는 작고 가벼운 크기로 장시간 사용이 가능해 매력적인 옵션으로 평가받고 있습니다.
6. 2차전지 시장의 성장 전망
6.1 글로벌 2차전지 시장
글로벌 2차전지 시장은 2025년까지 연평균 성장률(CAGR) 15% 이상으로 급성장할 것으로 예상됩니다. 특히 전기차 시장의 급속한 확대와 함께 배터리 기술에 대한 투자가 집중되고 있습니다.
6.2 전고체 배터리의 시장 잠재력
리튬이온전지가 2차전지 시장의 주도권을 잡고 있지만, 2028년 이후 전고체 배터리가 본격적으로 상용화되면서 시장의 주도권을 바꿀 것으로 예상됩니다.
현재 도요타, 폭스바겐, 삼성SDI, LG에너지솔루션 등 글로벌 기업들이 전고체 배터리 개발에 막대한 투자를 하고 있습니다.
5. 결론: 전고체 배터리 혁신을 이끄는 ETRI
ETRI의 이번 연구는 단순히 기술 개발을 넘어 환경친화적 제조 공정, 안전성과 효율성, 경제성을 모두 충족한 혁신으로 평가받고 있습니다.
이는 차세대 전지 기술의 새로운 장을 열었으며, 상용화 가능성을 높여 전기차, 에너지 저장 장치, 소형 전자기기 등 다양한 산업에서 새로운 도약을 가능하게 할 것입니다.
앞으로 추가적인 연구를 통해 이온전도 성능 향상과 안정적인 전극 계면 제어 기술까지 확보된다면, 전고체 배터리는 글로벌 에너지 산업에서 가장 중요한 기술 중 하나로 자리 잡을 것입니다.
한국이 차세대 배터리 시장에서 글로벌 리더로 발돋움할 수 있기를 기대합니다.
