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삼성 배터리 핵심은 ‘용량’ 보다 ‘안전성’
삼성종합기술원·UNIST, 고성능 세라믹 소재 개발
이온·전자전도성 높아, 전해액 고체로 교체 가능
시장 판도 바꿀 전고체배터리, 삼성SDI 2027년 상용화
윤병효 기자    작성 : 2020년 10월 16일(금) 15:01    게시 : 2020년 10월 16일(금) 17:56
삼성전자 종합기술원과 울산과학기술원(UNIST)의 공동연구팀 논문이 소개된 ‘Advanced Energy Materials’ 표지. 개발된 복합 기능성 세라믹 소재는 전자(붉은색 구)와 리튬이온(자홍색 구)의 전도성 모두가 우수함을 나타낸다.
일반적으로 배터리 회사들은 에너지용량 확대, 이를 통한 주행거리 늘리기 등 성능 향상에 집중한다. 전기차는 충전시간이 길기 때문에 1회 주행거리가 내연차에 비해 짧으면 그만큼 불편함이 커져 대중화 시기도 늦어질 수 있다.

하지만 삼성은 배터리의 안전성에 더 집중하고 있다. 용량을 늘리는 것도 중요하지만 안전성이 담보되지 않으면 전기차 시대는 사상누각에 불과할 수 있기 때문이다.

16일 배터리업계에 따르면 삼성전자 종합기술원과 울산과학기술원(UNIST)의 공동연구팀은 리튬공기배터리의 유기물질을 세라믹소재로 바꾸는 기술을 개발했다.

리튬공기배터리는 음극에 리튬메탈과 양극에 산소 및 촉매를 사용해 전기를 일으키는 방식이다. 현재 대중화된 리튬이온배터리보다 에너지용량이 10배 더 많아 1회 충전으로 1000km를 운행할 수 있고 금속활물질을 사용하지 않아 경량화에도 유리하다.

하지만 치명적 단점이 있다. 내부 화학반응에서 탄소계열의 유기물질로 인해 활성산소가 발생하면서 수명이 급격히 떨어지는 문제가 발생하는 것이다. 이로 인해 충방전 사이클이 겨우 10회 미만밖에 안된다.

공동연구팀은 탄소 유기물질을 고성능 세라믹 물질로 바꾸는 것에서 문제의 해결 실마리를 찾았다.

고성능 세라믹을 사용하면 충방전 사이클은 100회 이상으로 10배 이상 늘어나고 이 소재가 이온전도성뿐만 아니라 전자전도성도 우수해 전해물질과 도전재 역할을 한번에 할 수 있다.

특히 고성능 세라믹이 갖는 장점은 고체라는 점이다. 이를 통해 배터리의 화재 발생 가능성을 대폭 낮출 수 있다.

리튬이온배터리(왼쪽)와 전고체배터리의 구조.
배터리의 화재는 셀 내부의 이상 반응으로 분리막이 손상돼 액체인 전해액을 통해 양극와 음극이 만나면서 단락이 일어나 발생한다. 따라서 배터리업계의 오랜 숙원은 전해물질을 고체성분으로 바꾸는 것이다.

연구팀은 배터리 화재 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 소재를 개발한 것이다.

공동연구팀의 서동화 UNIST 교수는 “신규 세라믹 소재는 전자와 리튬이온을 동시에 전달할 수 있기 때문에 리튬공기배터리뿐만 아니라 배터리 분야에도 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다.

삼성은 배터리업계 중에서도 안전성에 가장 집중하고 있다. LG화학과 SK이노베이션이 파우치형 배터리를 채택하고 있는 것과 달리 삼성SDI가 각형 배터리 방식을 채택하는 이유도 안전성 이유가 크다.

파우치형은 배터리셀 포장을 과자 봉지처럼 알루미늄 소재의 파우치 형태로 사용하는 것으로 부피를 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.

반면 각형은 알루미늄 소재로 만든 튼튼한 골격 형태의 케이스를 사용해 부피는 다소 크지만 내구성이 훨씬 높고 여기에 안전장치까지 장착돼 안전성이 크게 향상되는 장점이 있다.

또한 삼성SDI가 차세대 배터리로 전고체 방식을 채택한 이유도 안전성 이유가 크다고 볼 수 있다.

전고체 배터리는 전해액을 고체로 바꾸는 것으로 이를 통해 안전성이 대폭 향상돼 그만큼 셀부터 모듈, 팩, 어셈블리까지 안전장치를 덜 탑재할 수 있다. 안전장치가 줄어든 부피만큼 전극재를 더 사용해 에너지밀도를 높여 주행거리가 늘어나는 효과가 있다. 안전성과 성능 향상이라는 두 마리 토끼를 모두 잡는 것이다.

지난 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 800km를 주행하고 1000회 이상 충방전이 가능한 전고체배터리 연구결과를 공개했다. 전고체배터리의 수명과 안전성을 높이면서도 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 담고 있는 연구내용은 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재됐다.

이처럼 전고체 배터리는 안전성, 에너지밀도에서 강점을 갖고 있어 배터리시장 판도를 단숨에 바꿔 놓을 수 있을 것으로 평가되고 있다. 삼성SDI는 빠르면 2027년부터 전고체 배터리를 상용화할 계획이다.


윤병효 기자 chyybh@electimes.com        윤병효 기자의 다른 기사 보기

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