안녕하세요. 이번에는 차세대 배터리, 꿈의 배터리라고 불리는 리튬 메탈배터리에 대해 알아보고 자합니다. 이차전지에 대한 지식이 있으신 분들이라면 꿈의 배터리는 전고체 배터리라고 알고 있을 텐데요. 리튬 메탈배터리도 전고체배터리 못지않게 엄청난 배터리 랍니다.
그럼 지금부터 리튬 메탈배터리에 대해 알아볼까요?
리튬 메탈배터리와 전고체 배터리의 비교
이차전지에 대한 기본 지식이 있으신 분들이라면 전고체 배터리에 대해서는 다들 잘 알고 있다고 생각하고, 리튬 메탈 배터리와 비교해보도록 하겠습니다.
(이차전지의 기본 지식이 필요하시다면 아래의 링크 참조하세요)
기존 리튬이온배터리와의 차이점으로 비교해보면,
전고체 배터리는 이차전지의 3대 요소인 양극재, 음극재, 전해질 중 전해질이 액체가 아닌 고체로서 높은 안전성, 높은 에너지 밀도, 긴수명이라는 특징을 가지게 됩니다.
리튬 메탈 배터리는 이차전지의 3대 요소인 양극재, 음극재, 전해질 중 음극재가 순수 리튬 금속을 사용하여 높은 에너지 밀도, 긴수명, 빠른 충전 속도의 장점을 가지게 됩니다.
그럼 둘 중에 어떤 것이 더 좋을까?
전고체 배터리와 리튬 메탈 배터리는 장단점이 명확하기 때문에 사용처에 따라 조금씩 달라질 수 있는데,
우선 전고체 배터리의 안정성을 활용한다면, 지금 리튬이온 배터리가 주로 사용되고 있는 자동차, 에너지 저장시스템(ESS)에도 잘 활용될 뿐만 아니라 의료기기, 우주항공 쪽에도 강점을 나타낼수 있습니다.
그럼 리튬 메탈 배터리의 강점인 비교적 저렴하고, 빠른 충전 속도를 활용한다면, 드론, 차세대 항공기 등 많은 에너지가 필요하고 빠른 충전 속도가 필수인 교통수단 쪽에서 큰 강점을 나타낼수 있습니다.
리튬 메탈배터리의 개발 현황과 개발 중인 기업들
위에서 설명드렸던 리튬 메탈 배터리의 빠른 충전속도와 높은 에너지 밀도로 인해 많은 기업들이 개발에 뛰어 들고 있는데요. 전고체 배터리와 마찬가지로 상용화를 이루기 위해서는 많은 문제들을 해결해야 한다고 합니다. 대표적인 것이 ‘덴트라이트 형성‘ 문제라고 할수 있는데요.
‘덴트라이트’에 대해 간단히 알아보고 개발 현황과 개발 방향에 대해 이어서 알아보도록 하겠습니다.
덴트라이트 형성
덴드라이트란 리튬 메탈 배터리 충전 시 음극에 나뭇가지 모양으로 뾰족하게 자라는 결정체를 말합니다. 마치 나무가 뿌리를 내리듯 음극 표면에 깊숙이 침투하며 자라는데요. 이 덴드라이트가 문제가 되는 이유는 크게 두 가지입니다.
단락 위험 : 덴드라이트가 계속 자라 양극과 맞닿게 되면 쇼트(short circuit), 단락이 발생 할수 있는데 엄청난 열을 발생시켜 배터리 폭발이나 화재의 원인이 될수 있습니다.
수명 단축 : 덴드라이트가 분리막을 뚫고 양극과 음극을 연결하면 배터리 내부 저항이 증가하게 되고, 이에 따라 충방전 효율이 떨어져 배터리 수명이 단축됩니다.
마치 배터리 내부에서 작은 못이 자라나 배터리를 망가뜨리는 것이라고 비유할 수 있습니다.
왜 덴드라이트가 생길까요?
- 불균일한 리튬 석출: 충전 시 리튬 이온이 음극에 균일하게 석출되지 않고 특정 부위에 집중적으로 쌓이면서 뾰족한 결정체가 형성됩니다.
- 전해질과의 반응: 리튬과 전해질 사이의 부반응으로 인해 덴드라이트 성장이 촉진될 수 있습니다.
덴드라이트 문제를 해결하기 위한 노력
- 고체 전해질 개발: 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 덴드라이트 성장을 억제합니다.
- 음극 재료 개선: 리튬 금속 표면에 보호층을 형성하거나, 3차원 구조의 음극을 사용하여 덴드라이트 성장을 방지합니다.
- 전해액 조성 최적화: 덴드라이트 성장을 억제하는 첨가제를 사용하거나, 전해액의 조성을 변경하여 안정성을 높입니다.
- 배터리 관리 시스템 (BMS) 개선: 충전 속도를 조절하고, 배터리 상태를 모니터링하여 덴드라이트 형성을 최소화합니다.
개발 현황
현재 리튬 메탈 배터리는 실험실 수준을 넘어 파일럿 생산 단계에 접어들고 있습니다. 몇몇 기업들은 소규모 양산을 통해 배터리 성능을 검증하고, 상용화를 위한 기술적 난제를 해결하려는 노력을 기울이고 있습니다.
하지만 대량 생산을 위한 안정적인 공정 확립, 덴드라이트 형성 방지 기술 고도화, 비용 절감 등 해결해야 할 과제들이 여전히 많습니다. 따라서 상용화까지는 몇 년의 시간이 더 소요될 것으로 예상됩니다.
개발 방향
덴드라이트 형성 방지: 고체 전해질 계면층(SEI) 조절, 3D 구조 음극 개발 등을 통해 덴드라이트 형성을 억제하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
고체 전해질 개발: 리튬 이온 전도도가 높고 기계적 강도가 우수한 고체 전해질 개발에 집중하고 있습니다.
배터리 관리 시스템 (BMS): 리튬 메탈 배터리의 특성에 맞는 BMS 개발을 통해 배터리 성능을 최적화하고 안전성을 확보하려는 노력이 이루어지고 있습니다.
개발 진행 중인 기업들과 상용화 일정
아직은 정확한 상용화 시기를 예측하기는 어렵지만, 개발 중인 기업들의 뉴스 기사를 참고하면 2025년에서 2030년 안에는 상용화가 이루어질 것으로 예상됩니다.
그리고 차세대 배터리로서 2030년에는 전기차 시장에서 상당한 점유율을 가질 것으로 예상됩니다.
SES: 미국 스타트업 SES는 2025년 리튬 메탈 배터리 상용화를 목표로 하고 있으며, 현대차를 포함한 완성차 업체와 협력하여 개발을 진행하고 있습니다.
LG에너지솔루션: 붕산염-피란 기반 액체 전해액을 활용하여 고효율 리튬메탈 배터리 개발에 성공했으며, 상용화를 위한 연구를 지속하고 있습니다.
삼성SDI: 고에너지밀도 리튬메탈 배터리 개발에 집중하고 있으며, 2030년까지 상용화를 목표로 하고 있습니다.
현대차: 자체적으로 리튬 메탈 배터리 개발을 추진하는 동시에, SES와 같은 스타트업에 투자하며 기술 확보에 힘쓰고 있습니다.
결론
리튬 메탈 배터리는 아직 상용화 초기 단계이지만, 높은 성장 잠재력을 가지고 있습니다. 다양한 기업들이 개발에 참여하고 있으며, 기술 발전 속도가 빠르게 진행되고 있습니다. 덴드라이트 형성 문제 등 해결해야 할 과제들이 남아있지만, 꾸준한 연구 개발을 통해 상용화가 앞당겨질 것으로 기대됩니다.
참고: 위 정보는 최신 정보를 바탕으로 작성되었지만, 기술 개발은 빠르게 변화하기 때문에 실제 상황과 다를 수 있습니다.