"현재의 배터리 기술은 양산성을 확보하면서 에너지 밀도를 높이기 위해 얼마나 많은 니켈을 함양할 수 있냐가 관건이다. 궁극적인 솔루션으로 전고체가 주목받고 있지만, 전고체 배터리 역시 완벽하지는 않다. 여전히 덴드라이트 문제 해결이 필요하다."
정부가 차세대 배터리 조기 상용화를 목표로 'K-배터리 발전 전략'을 발표한 가운데 배터리 성능 및 안전성 향상을 위한 덴드라이트 해결이 필요하다는 주장이 나왔다.
최웅철 국민대 자동차학과 교수는 9일 한국자동차공학회가 주최한 '전기차 배터리와 충전 표준 기술 교육' 웨비나에서 미래 전고체 배터리 개발을 위한 과제로 '덴드라이트 해결'을 지적했다.
덴드라이트(Dendrite·수지상결정)는 리튬 배터리의 충전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정체를 말한다. 이는 리튬의 이동(음극↔양극)을 방해해 배터리 성능을 저하시키고, 분리막을 훼손시켜 배터리 수명과 안전성을 떨어트리는 문제를 일으킨다.
최웅철 교수는 "덴드라이트는 배터리 충·방전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 SEI(Solid Electrolyte interphase·고체 전해질 계면)가 부서지면서 발생하는데 아직까지 어떤 물질이 어느 위치에서 어떻게 덴드라이트를 형성하는지 이론이 없다"며 "연구를 통해 확인된 것은 SEI가 부서지면 내부저항이 증가하면서 온도 상승과 에너지 용량이 떨어진다는 것과 충전 시 덴드라이트가 배터리의 노화를 일으킨다는 것뿐이다"라고 설명했다.
이어 "이를 해결하기 위해 처음부터 SEI를 형성하지 않는 방법 중 하나로 고체 전해질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다"며 "특히, 일본을 중심으로 황화물계 전고체 전지에 대한 상당한 성과가 나타나고 있다"고 덧붙였다.
실제 일본의 완성차 제조사 토요타는 2025년을 목표로 전고체 배터리를 탑재한 전기차 상용화 계획을 밝히는 등 주요 완성차 기업 중에서도 앞선 기술력을 자신하고 있다.
국내에서는 현대차와 LG에너지솔루션을 중심으로 덴드라이트 해결을 위한 전고체 배터리 개발이 진행 중이다. 특히, 현대차는 최근 덴드라이트 억제 기술을 보유한 솔리드에너지시스템(SES)에 1억달러 투자를 결정한 바 있다.
최 교수는 "리튬황 전고체 전지는 고체 전해질로 리튬, 게르마늄, 인, 황을 합쳐놓은 형태로 전도도가 액체 전해질보다 더 뛰어나다는 연구결과도 있다"며 "황화물계 전고체 전지가 미래 배터리가 될 수 있다고 본다. 이에 시장에서는 2030년이 되면 전고체 배터리가 전기차 시장의 20~30%를 차지할 정도로 급성장할 것으로 보고 있다"고 전했다.
또 "현재 배터리 제조사들은 양산성을 확보한 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 함량을 늘리는 데 주안점을 두고 있지만, 이보다 궁극적인 솔루션은 전고체 기술을 적용하는 것"이라며 "(학계에서는) 리튬황 외 리튬메탈, 리튬공기 등 미래 배터리의 기본 베이스를 전고체로 구성되는 것이 안정적이라 본다"고 강조했다.
한편, 시장조사업체 IDTechEx에 따르면 전기차용 전고체 배터리 시장은 2022년 중국을 시작으로 상용화가 진행, 2031년 80억달러(약 9조2000억원)에 달할 것으로 예측된다.
