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폭발하지 않는 배터리가 있다? 전고체 배터리의 비밀

폭발하지 않는 배터리가 있다?? 전고체 배터리의 비밀

전기자동차, 전자기기라고 하면 뭐가 제일 먼저 떠오르시나요? 저는 배터리가 가장 먼저 떠오르는데요! 현대 사회에 있어서 꼭 필요한 배터리! 요즘은 전기자동차, 전자기기에 대한 수요가 늘어감에 따라 더욱 중요한 부품으로 손꼽히고 있는데요! 이 배터리가 폭발할 수도 있다는 사실, 알고 계셨나요? 실제로 국내에서도 휴대폰 배터리가 폭발하여 사람이 다치는 등 여러 사건, 사고가 발생해왔는데요! 오늘은 폭발하지 않고, 에너지 밀도도 향상시킬 수 있어 미래의 배터리 중 하나로 촉망받고 있는 전고체 배터리에 대해 소개해드리려고 합니다!!

SK Careers Editor 이수록

 

 

 

 

 

Part 1. 배터리가 뭐야?

우선, 가장 많이 사용되고 있는 리튬이온 배터리의 구조를 살펴볼까요? 리튬이온 배터리는 양극과 음극, 전해액, 분리막으로 구성되어 있습니다. 양극은 상대적으로 큰 전압을, 음극은 상대적으로 작은 전압을 가지고 있는데, 이 전압의 차이를 이용하여 전류를 생산하는 원리입니다! 좀 더 풀어서 설명하자면, 각 극은 에너지 차이가 존재하고 리튬 이온들이 충/방전 과정에 따라 각 극을 이동하면서 거기에 상응하는 전류(에너지 차이)를 생산한다고 생각하시면 될 것 같습니다. 그렇다면 리튬 이온들은 어떻게 각 극을 이동할 수 있을까요? 바로 전해액을 통해서 이동할 수 있습니다! 전해액은 리튬 이온의 수송을 돕는 역할을 하는 물질인데요! 리튬 이온이 이동할 수 있게 다리역할을 해준다고 생각하시면 될 것 같습니다. 다리역할을 하는 전해액이 튼튼하고, 리튬 이온이 이동하는 과정에 있어서 장애물들이 없다면 더 빨리 이동할 수 있다고 유추할 수 있습니다. 하지만 사진을 봤을 때 분리막이라는 존재는 리튬 이온이 이동하는 경로에 있어서 장애물처럼 보이는데, 분리막은 무슨 역할을 할까요? 바로 양극과 음극이 물리적으로 접촉할 때 발생하는 전기적 단락, 쇼트를 방지하는 역할을 합니다. 다시 말해 분리막이 없다면 양극과 음극이 접촉하여 화재, 폭발이 발생할 수 있다는 뜻인데요! 하지만 화재가 일어나는 원인은 분리막 뿐만 아니라 전해액에도 존재하는데요! 그 이유에 대해서 지금 알아보도록 하겠습니다!

 

 

 

Part 2. ? 배터리가 폭발할 수 있다고?

양극과 음극이 물리적으로 만나 전기적 단락(쇼트)가 발생한다면, 무조건 화재, 폭발이 일어날까요?? 정답은 NO입니다. 바로 탈 수 있는 물질 즉, 가연성 물질이 주변에 있어야 화재가 일어날 수 있는 조건이 만족될 수 있습니다. 위의 사진을 통해 설명해보자면, 일반 나무에 불을 붙이면 화재가 일어난다는 사실을 우리는 알 수 있습니다. 하지만 특수 코팅 처리된 불연성의 나무에 불을 붙인다면 어떻게 될까요?? 불씨의 존재가 있다고 하더라도 불이 붙지 않는 재료이기 때문에 화재나 폭발은 일어나지 않을 것입니다. 기존 리튬 이온 배터리의 경우 불이 붙어 탈 수 있는 가연성 재료인 액체 전해질을 사용하고 있어, 폭발이나 화재의 위험성이 여전히 존재합니다. 따라서 최근에는 안정성을 향상시키기 위해 불연성 재료인 고체 전해질을 사용하는 고체 상태 배터리 즉, 전고체 배터리에 대한 연구가 진행되고 있는데요! 액체전해질을 고체전해질로 변경하게 되면 안정성 향상과 더불어 기존 양극의 물리적 접촉을 막아주는 분리막이 필요하지 않아 배터리의 부피를 절감시킬 수 있고, 고용량을 구현할 수 있는 음극 재료인 리튬 메탈과의 호환성도 우수하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 그렇다면 왜 지금 당장 고체 전해질을 배터리에 적용하지 못할까요??

 

 

 

Part 3. 전고체 배터리의 이중성?

바로 성능이 좋지 않기 때문입니다. 액체 전해질의 경우 리튬 이온이 상대적으로 자유롭게 움직일 수 있어, 리튬 이온의 유동성이 매우 좋은 편이라고 할 수 있지만, 고체 전해질의 경우 리튬 이온의 움직임이 상대적으로 자유롭지 못해, 많은 제약을 받는다고 할 수 있습니다. 좀 더 자세히 설명하자면 고체 전해질의 경우 리튬 이온이 결정 격자 사이로만 이동할 수 있기 때문에 성능이 떨어진다고 할 수 있는데요! 이는 실제로 우리가 어떠한 물질을 물에 떨어뜨렸을 때와 고체에 떨어뜨렸을 때를 생각해봐도 쉽게 이해할 수 있습니다. 위에서 설명한 것처럼 안정성과 고 에너지 밀도화가 가능하다는 장점 때문에 고체전해질은 매우 유망한 이차 전지라고 할 수 있지만, 전해질의 가장 중요한 능력인 이온을 수송하는 능력이 액체전해질보다 떨어져 아직 상용화에는 많은 어려움이 있습니다. 따라서 실제로 이온을 수송하는 능력인 이온전도도를 향상시키기 위해 많은 연구가 진행 중에 있는데요! 이러한 한계점을 극복할 수 있다면, 배터리 사고가 일어나지 않는 사회를 기대할 수 있지 않을까요?