전고체 배터리 전망_서론

프라운 호퍼 연구소 (Fraunhofer Institute)는 1949년에 설립된 독일의 정부 출연 연구기관으로 독일 전역에 걸쳐 76개의 연구소에 과학자와 엔지니어로 구성된 약 30,800명의 직원이 근무하고  있는 유럽 최대의 응용 연구개발 조직입니다.

"배터리 2020" 계획은 "미래 모바일 및 고정 응용분야를 위한 배터리 재료 연구" (Battery Matreials for Future Mobile and Stationary Applications)를 목적으로 독일 연방 교육 연구부 (BMBF)가 자금을 지원하는 프로그램입니다.

프라운 호퍼연구소는 이 프로그램의 일환으로 2022년 4월에 "Solid-State Battery Roadmap 2035+"를 발표하였습니다. 

이 보고서에는 전고체 배터리 (SSB: Solid-State Battery) 기술에 대한 전반적인 내용과 향후 전망이 잘 정리되어 있어 이를 소개하고자 합니다.

 

 

 

 

서론

2020년부터 2040년까지 시장 부문별 LIB 수요

오늘날 배터리는 모빌리티의 전동화를 향한 전 세계적인 변화와 더불어  기존의 3C제품 외에 ESS나 다른 응용분야들로 수요가 크게 늘어나고 있습니다. 연간 판매되는 전기 자동차의 점유율은 전 세계적으로 현재 약 10% 수준이지만 향후 몇 년 내에 "Tipping point"를 통과할 것으로 예상됩니다. 이는 2030년에서 2050년 사이에 전기자동차가 자동차 시장 전체로 확산되어 대중화된다는 것을 의미합니다.

이러한 전기자동차의 대중화는 글로벌 배터리 생태계를 조성하여 리튬이온 배터리 (LIB: Lithium Ion Battery)의 수요를 2025년까지 0.5~1.5 TWh, 2030년경에는 2~4 TWh로 증가시킬 것이고 2030년 이후 10 TWh로 증가할 것입니다.

액체 전해질을 기반으로 한 LIB는 현재 가장 진보되고 경쟁력 있고 확립된 배터리 기술로 이러한 신흥 시장의 부상을 가능하게 했으며 현재 LIB 외에 전기차에 적합한 기술적 대안은 없습니다.

미래의 대체 기술은 에너지 밀도, 안전성, 수명, 비용 등 하나 이상의 핵심 성능 매개변수나 지속 가능성, 자원 가용성 등의 기타 측면에서 LIB를 능가해야 합니다. LIB가 특히 운송 부문에서 화석 연료 사용에 대한 중요한 대안으로 간주되는 것과 마찬가지로, LIB에만 의존하는 것을 피하기 위해  대체 배터리 기술을 보유하는 것은 중요합니다. LIB를 대체하는 차세대 기술은 현재의 LIB보다 응용제품들의 요구사항을 더 잘 충족시켜야 하며 기후 변화 위기로 전 세계적으로 높아진 환경  요구 사항을 충족시켜야 합니다. 대체 배터리 기술이 가치 있는지 판단하기 위해서는 향후 어디까지 개발될 수 있는 잠재력을 살펴보아야 하며 응용 분야에서의 장단점이 무엇인지도 고려해야 합니다.  이러한 면에서 SSB는 가까운 미래에 자동차 분야에서 LIB와 경쟁할 수 있는 유망한 후보입니다. 그러나 향후 몇 년 동안은 아직 완성도가 낮기 때문에 Niche, Premium, Special 등의 다른 응용제품을 통해 시장에 진입하게 될 것입니다.

 

LIB의 현황과 한계

LIB와 SSB의 구조

LIB는 현재 많은 양의 에너지를 필요로 하면서 무게와 부피에 제한이 있는 제품들에 활발하게 사용되고 있습니다.

특히 전기 자동차에는 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리가 필요합니다. 지난 10년 동안 자동차 배터리 셀의 평균 에너지 밀도는 약 150Wh/kg (260Wh/l)에서 250Wh/kg(600Wh/l)로 증가해 왔습니다. 양극 활물질로는 전이금속계 산화물인 LCO ( lithium cobalt oxide), LMO (lithium manganese oxide), NMC (lithium nickel manganese cobalt oxide), NCA (lithium nickel cobalt aluminum oxide)등 이 주로 사용되고 있고  음극 활물질로는 흑연 등이 사용되고 있는데 에너지 밀도의 향상은 주로 이러한 재료의 성능을 개선함으로 달성되었습니다. 그 외에도 에너지 밀도를 개선하기 위해 셀 설계를 최적화하고 배터리 셀의 무게와 부피를 줄이기 위해 부품을 줄이는 작업을 진행해 왔습니다.. 그러나 에너지 밀도가 증가한다는 것은 작은 볼륨에 많은 에너지를 저장하는 것이므로 안전사고가 발생할 수 있다는 문제점이 있습니다. 특히 유기 및 가연성 용매를 기반으로 하는 LIB의 액체 전해질은 이러한 안전문제의 중요한 원인 중 하나로 지적되고 있습니다.

전기 자동차뿐 아니라 전기 항공기와 같은 새로운 산업은 훨씬 더 높은 에너지를 요구하는데 이를 만족시키려면 물질 수준에서 완전히 새로운 개념이 도입되어야 합니다. 특히, 높은 에너지를 가진 Li 금속이나 금속산화물, 황화물, 불화물등의 전환형 음극 (Conversion-type anode)이나 Si, Ge, Sn, Sb을 사용하는 합금형 음극 (Alloying type anode)등에 대한 연구가 수년간 진행되어 왔습니다.

이론적으로 모든 리튬 배터리 음극 재료 중 가장 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 금속은 확실히 완전히 새로운 수준의 에너지 밀도에 대한 문을 열어줄 것이므로 많은 연구자들이 매우 유망한 재료로 연구하고 있습니다. Li 금속은 이미 일차전지에 사용되고 있지만,  리튬덴드라이트 생성으로 인한 성능 및 안정성 문제로 인해 LIB에서는 제한적으로 사용되어 왔습니다. 음극 활물질로 실리콘을 사용하는 제품들이 증가하고 있지만 실리콘 역시 장기적인 성능과 안정성에 문제가 있습니다.

LIB에 더 높은 에너지 밀도를 도입한다는 것은 기존 재료 시스템의 바람직한 특성인 높은 구조 안정성 및 낮은 부피 변화와 같은 장점을 포기해야 한다는 것을 의미합니다. 결과적으로, 배터리의 안전성과 안정성을 유지하기 위해서 차세대 리튬 배터리는 재료 부분의 혁신뿐 아니라 배터리 셀의 다른 부분들 즉 설계와 공정에서도 혁신이 필요합니다.

 

SSB의 종류

안전성 및 안정성 문제를 해결하는 방벙중 하나는 고체 전해질 재료를 사용하는 것입니다. 전해질을 액체에서 고체로 전환하면 배터리가 손상 시 전해질이 누출되는 문제를 해결할 수 있습니다. 또한, 일부 고체 전해질 재료는 불연성이고 기계적으로 견고하여 배터리 손상의 영향을 최소화할 수 있습니다.

고체 전해질의 기계적, 화학적 특성은 안전성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 배터리 셀의 많은 미세한 공정에도 영향을 미쳐 특히 고에너지 양극의 경우 전기화학 시스템의 안정성을 높일 수 있습니다. 또한 고체 전해질은 리튬 금속을 음극으로 사용할 수도 있습니다. 고체전해질의 높은 밀도와 견고함은 리튬 금속의 덴드라이트 성장을 막아 내부 단락에 의한 배터리의 고장을 방지할 수 있습니다.  고체 전해질로는 현재 산화물, 황화물, 폴리머등이 연구 개발되고 있으며 이들 전해질은 이온 전도도, 안정성, 가공성 등의 특성이 다양하고 각각 고유한 장점과 단점이 있습니다.

산화물 전해질은 일반적으로 높은 기계적, 화학적 안정성을 나타내지만 고온에서 가공하는 소결 (Sintering)이 필요하고 부서지기 쉬우며 상대적으로 낮은 이온 전도도를 갖습니다.

황화물 전해질은 산화물 고체전해질 보다 기계적으로 더 부드럽고 잘 늘어나 소결이 필요 없어 가공이 더 쉽습니다. 반면, 황화물 전해질은 Li 금속이나 잠재력이 높은 양극활물질과 화학적으로 반응하는 문제가 있습니다.

폴리머 전해질은 모든 고체 전해질 중 재료 가용성 및 생산기술 측면에서 가장 발달해 있습니다. 그러나 실온에서 이온 전도도가 낮고, 고전압 양극활물질과의 열악한 화학적 호환성, 이온 전도 메커니즘으로 인해 전류 밀도를 높일 수 없다는 단점이 있습니다.

산화물, 황화물, 폴리머 고체 전지의 특성 비교

이들 3가지 고체 전해질외에도 할로겐화물과 다른 종류의 고체 전해질이 개발단계에 있지만 아직 초기 연구 상태에 있습니다.

전문가들은 리튬금속 음극과 LFP양극을 사용한 폴리머 SSB와 Si 음극을 사용한 황화물 SSB, 그리고 리튬금속음극과 산화물 고체전해질을 사용한 SSB가 2025년부터 시험 생산될 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

리튬금속을 음극으로 사용하는 황화물 SSB는 2028년부터 시험생산 될 것으로 내다보고 있습니다. SSB의 시장범위를 더 넓히기 위해서는 고체 전해질과 리튬 음극 및 고전압 양극 재료 간의 화학적 호환성을 위한 추가 개선이 필요합니다.

 

SSB의 핵심 성과 지표 (KPI: Key Performance Indicator)

적용시점이 다가올수록 SSB는 지속적으로 성능을 개선하고 있는 최신 LIB와 경쟁에 직면해 있습니다. SSB의 KPI는 에너지 밀도, 안전성, 수명, 비용 및 고속 충전 기능입니다. SSB는 에너지 밀도 측면에서는 최신 LIB보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 계산상으로는 3가지 고체 전해질 모두 리튬금속을 음극으로 사용하는 경우 최대 1150Wh/l의 체적 에너지 밀도와 최대 350~500Wh/kg의 중량 에너지 밀도를 낼 수 있습니다. SSB는 인화성 액체가 포함되어 있지 않기 때문에 셀 수준에서 안전성이 높을 것으로 예상됩니다. 반면, 리튬 금속은 반응성이 매우 높으며 황화물 고체 전해질은 물과 반응하여 독성 가스인 황화수소를 형성할 수 있는 문제점이 있습니다. 장기 안정성과 수명은 액체 전해질이 없기 때문에 분해 효과를 줄일 수 있으므로 최신 LIB와 비슷하거나 더 나은 성능을 낼 수 있을 것으로 예상되지만 충방전 중 부피 변화는 고체-고체 인터페이스에 추가적인 문제를 야기시켜 장기 안전성에 문제를 일으킬 수 있습니다. 비용은 매우 중요한 요소이지만 개발 중인 현재 단계에서는 LIB에 비해 비용이 높을 것이므로 추정하기 어렵습니다. 고속 충전 기능은 대부분의 고체전해질이 LIB대비 이온전도도가 낮고 리튬덴드라이트가 생성되는 문제들로 인해 어려움을 겪고 있습니다.

 

SSB의 응용분야

Bluesolution의 LMP (Lithium Metal Polymer) 배터리 구조

현재 대규모로 사용되고 있는 유일한 SSB는 프랑스의 Bluesolution이 버스에 사용하고 있는 폴리머 SSB입니다. 하지만 폴리머 SSB는  50~80°C 사이의 높은 작동 온도가 필요하기 때문에 버스와 같이 정기적으로 사용되는 시스템에만 사용할 수 있다는 제한이 있습니다. 폴리머 SSB는 작동온도를 낮추는 개발을 진행 중이며 이것이 개발되면 자동차등의 다양한 응용분야에 더욱 광범위하게 사용될 수 있을 것입니다.

일반적으로 자동차 시장은 SSB 개발을 주도하는 대표적인 원동력으로 중장기적으로 SSB의 주요 응용 분야가 될 것입니다. 그러나 산화물 및 황화물 기반 SSB는 향후 5년 내에는 큰 규모로 자동차에 사용될 것 같지는 않습니다  적용하게 된다면 초반에 가격이 높을 것이므로 프리미엄 자동차에 먼저 적용하게 될 것입니다. 그전까지는 산화물과 황화물등 무기 SSB는 요구 사항과 테스트 절차가 덜 엄격한  소비자 시장(예: 노트북, 스마트폰, 전동 공구)에서 사용될 것입니다. 높은 기계적, 화학적 안정성을 가지고 있는 산화물 SSB는 자동차뿐 아니라 산업용 중장비나 열악한 환경에서 사용하는 장비에 병행해서 적용될 가능성이 높습니다.

추후 규모의 경제를 통해 SSB의 비용 절감이 달성되면 SSB는 트럭 및 고정식 보관소와 같은 더 많은 응용 분야로 사용범위가 넓혀질 것입니다. 2035년 이후에는 SSB가 여객기 등 다른 용도로도 사용될 수 있습니다.

 

SSB 시장 규모

현재 SSB의 전 세계 생산 능력은 2 GWh 미만으로 추정되는데 이는 거의 전적으로 폴리머 SSB를 기반으로 하는 제품들입니다. 2025년에서 2030년 사이에 산화물 및 황화물 전해질 기반 SSB가 시장에 등장하면서 이 생산량은 크게 증가할 것으로 예상되며 2030년과 55년에 SSB 시장의 총생산량은 15~40 GWh로 추정됩니다. 이는 2030년경 1~6 TWh, 2035년 2~8 TWh인 전체 LIB 시장에 비해 여전히 상대적으로 작은 규모입니다. 현재 0.5% 미만인 SSB 시장 점유율은 2035년까지 1% 이상으로 증가할 수 있습니다. 이는 액체 전해질 LIB가 가까운 미래에도 여전히 시장을 지배한다는 것이며 SSB가 글로벌 시장의 주요 기술이 되기까지는 다소 시간이 걸릴 것으로 예상된다는 것을 의미합니다. 그럼에도 불구하고 SSB는 약속된 KPI 개선을 제공하고 자동차 부문과 같은 대중 시장에 진출한다면 점점 더 많은 시장 점유율을 확보할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 지리적으로 SSB의 셀연구개발과, 생산 프로세스 및 장비, 파일롯 라인은 대부분 아시아(일본, 한국, 중국)와 미국이 주도하고 있습니다. EU는 주로 재료 R&D 분야에서 특정 역량을 보유하고 있지만 현재 산업 수준 및 파일럿 생산(폴리머 SSB 제외)에 있어서는 크게 뒤처져 있습니다.

LIB와 SSB 시장 및 응용제품 전망

 

 

 

출처: Solid-State Battery Roadmap 2035+ (Fraunhofer ISI report)