전고체 배터리는 무엇이고 , 언제 될까

전全 고체 전지 (All solid battery) 말 그대로 모든 부분이 고체로 이루어진 전지다 .
현재 리튬이온전지는 리튬이온 캐리어 carrier) 인 전해질이 유기 용매 , 즉 액체로 이루어져 있고
나머지 양극 음극 분리막 양음극집전체 등은 고체로 이루어져있다 .
유일한 액체 물질인 전해질이 고체로 바뀌어 모든 구성 물질이 고체화 된다는 의미에서 
전고체 전지라 불린다 . 그렇다면 , 고체 전해질의 개발 당위는 무엇일까
고체 전해질의 당위는 액체 전해질의 단점을 살펴봄으로써 자연스럽게 알 수 있다 .
액체 전해질의 가장 큰 문제는 에너지 밀도 향상 과정에서 발화 가능성이 함께 상승한다는 것이다 .
배터리 업계의 개발 과제는 당연히 에너지 밀도 향상인데 , 밀도 향상은 양극과 음극의 전압 및 전류랑을
증대시킴으로써 달성 가능하다 .
문제는 전압 및 전류량 상승 과정에서 가연성 유기 용매인 액체 전해질과 양 음극 간의 
반응성이 커진 다는 것이다.
이온 전도도 높이기 위해 선택한 유기 용매의 선천적 가연성 때문에 높은 전압과 맞물려 발화 가능성이 
높아지는 것이다
그러나 가연성분이 없는 고체 전해질은 발화 가능성이 사실상 제로 에 가까워 양 음극의 전압 및 전류량을 
마음껏 높일 수 있다는 것이 전고체전지 개발의 당위다
그림 . 전고체 전지 개념도

자료 : Charged EV

그림  . 전고체 전지의 음극 물질 변화 전망

자료 : 전자부품연구원

다만 잊지 말아야 할 것은 전해질의 역할이다.
전해질은 리튬이온이 양극에서 음극으로, 음극에서 양극으로 원활하게 이동하도록 돕는 역할을 수행한다.
따라서 이온전도도가 높을수록 좋은데, 전도도는 당연히 고체보다 액체가 높다.
이온 캐리어(carrier)로서 고체 전해질의 퍼포먼스는 아직 만족할만한 수준이 아니다.
따라서 현재 전고체 전지 개발자들의 제 1 개발 과제는 고체 전해질의 이온전도도를 높이는 것이다.
이온 전도도를 높이는데 성공하면 앞서 언급한 것처럼 고체 전해질은 애초에 폭발 위험이 없으므로 
마음껏 양극과 음극의 전압 및 전류량을 높일 수 있다.
전극을 더 두껍게하고 그동안 덴드라이트 문제 때문에 흑연을 사용했던 음극에 리튬 금속을 사용하는 등
배터리 에너지 밀도를 크게 높일 수 있을 것으로 판단된다.
다만, 지금까지 말한 이온 전도도 향상, 발화 가능성이 낮은 리튬 금속 음극 등에 대한 상용화까지 
아직 많은 단계가 남아있다. 연구소 단위에서의 개발과 양산 단위에서의 개발은 차원이 다른 문제다.
그래서 당초 시장 조사기관들도 2030년대 전고체 전지 양산을 예상했던 것이다.
물론 최근 삼성 종합기술원에서 발표한 anode-less 전고체 전지등 진일보한 기술 감안하면 2025~2030년 
양산 가능성을 논할 수 있겠으나 여전히 5년 이상 남은 기술이다.
기술적으로 앞서 있다고 알려진 도요타-파나소닉 진영 역시 생각보다 개발 속도가 더딘 것으로 판단된다.
결론적으로, 2025년까지는 기존 유기 용매 액체 전해질 기반의 리튬이온전지 개념하에에서,
1) 양극재 니켈 비중 증대, 2) 양극재 결정 단결정화, 3) 음극재 실리콘 첨가, 4)공정 효율화를 통해 
주행거리 600km 수준의 에너지밀도 달성 가능할 것으로 판단된다.
이미 업계의 양산 기술은 니켈 비중 80% 양극재 통해 주행거리 500km 상용화까지 성공시켰다.
2021년부터 본격 양산 예상되는 단결정 양극재, 2022년부터 시장 열릴 것으로 예상되는 실리콘 첨가 
음극재, 배터리 표준화 작업 돌입한 전지 업계의 규모의 경제 효과 감안하면 2025년까지 시장이
만족할 만한 수준의 주행거리 확대 및 배터리 가격 하락을 이끌어 낼 수 있을 것으로 판단된다.
그림 . 전고체 전지 세대별 에너지 밀도 전망

자료: 전자부품연구원, 하나금융투자

그림 . 전체 중대형전지 시장 內 전고체 전지 비중 전망

자료: SNE Research, 하나금융투자