고체 배터리 확장 : 과제와 인프라
Liam Critchley , 2025년 10월 21일
미래 에너지 솔루션을 위한 확장 가능하고 고성능인 고체 배터리를 추진하는 과제, 인프라 요구 사항 및 혁신을 살펴보세요.
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고체 배터리 확장 : 과제와 인프라
Liam Critchley , 2025년 10월 21일
미래 에너지 솔루션을 위한 확장 가능하고 고성능인 고체 배터리를 추진하는 과제, 인프라 요구 사항 및 혁신을 살펴보세요.
고출력 전자 제품은 높은 에너지 저장 밀도, 빠른 충전, 긴 수명, 그리고 높은 안전성을 모두 갖춰야 하며, 이 모든 것이 비용 부담 없이 구현 가능한 배터리 패키지에 담겨야 합니다. 지난 몇 년간 이러한 특성 개선에 대한 요구는 계속 증가해 왔으며, 이러한 과제를 해결하기 위해 자주 거론되는 배터리 구조 중 하나가 전고체 배터리(ASSB)입니다.
ASSB는 액체/겔 전해질을 고체 물질로 대체하여 열 폭주, 발화 또는 폭발 위험이 낮기 때문에 고출력 응용 분야에서 리튬 이온 배터리보다 더 안전한 대안으로 여겨집니다. 또한 ASSB는 충방전 사이클 수명이 더 길고 리튬 이온 배터리보다 이론 에너지 밀도가 더 높습니다. 현재 개발 중인 ASSB 역시 리튬 기반(일반적으로 황화물 기반 또는 산화물 기반 전해질 사용)이지만, 향후 나트륨과 같은 다른 물질도 사용될 수 있습니다.
리튬 이온 배터리가 지속적으로 개선되고 있는 가운데, ASSB(Automotive Battery Suppressor)는 잠재적으로 현 상황을 바꿀 수 있는 방안을 제시합니다. 모든 기술 시스템에 적용 가능한 것은 아니지만, 더 작은 ASSB 셀은 의료 기기에 이상적입니다. 반대로, 더 큰 ASSB 배터리 팩은 더 길고 더 빠르게 충전되는 전기 자동차(EV) 개발에 도움이 될 수 있습니다. EV는 ASSB의 가장 큰 목표 시장이기도 합니다.
아직 대규모 상업 생산 단계에 있는 대형 배터리 팩은 없지만, 소형 ASSB를 생산하는 몇몇 전담 고체 배터리 회사가 있으며, BMW부터 폭스바겐, 닛산, 혼다, 토요타, 테슬라에 이르기까지 많은 자동차 제조업체들이 향후 몇 년 안에 ASSB를 자사 차량에 탑재할 계획이라고 밝혔습니다. 그러나 ASSB가 널리 채택되기까지는 여러 가지 기술적 및 공급망적 과제가 남아 있지만, 여러 기업들이 이러한 과제를 해결하고 ASSB를 대량 시장에 출시하기 위해 노력하고 있습니다.
고체 배터리 확장의 현재 과제
ASSB의 잠재력에도 불구하고, 여전히 많은 과제가 남아 있습니다. 리튬 이온 배터리 제조는 오랫동안 현상 유지되어 왔기 때문에 대량 채굴된 원자재 덕분에 비용이 낮아졌고, 대량 생산되는 제조 장비와 전담 글로벌 공급망을 갖추고 있습니다. 그러나 ASSB는 이러한 요건을 갖추고 있지 않습니다. 따라서 배터리 엔지니어, 자동차 제조업체, 그리고 기타 제조업체들은 수년간 축적된 배터리 제조 전문 지식을 활용하여 잠재적인 제조상의 함정을 피할 수 있지만, 이는 모든 것을 처음부터 다시 시작하는 것과 같습니다.
ASSB의 경우, 고성능, 안전성, 그리고 대량 생산이 가능할 만큼 저렴한 새로운 전해질을 개발해야 합니다. 이를 위해서는 소량으로만 생산 가능한 고급 소재를 사용하거나, 리튬 이온 제조에 사용되지 않는 첨단 제조 기술을 사용하여 전해질을 만들어야 합니다. 고체 전해질 제조는 기존 전해질보다 복잡하기 때문입니다. 이로 인해 ASSB 제조 비용과 복잡성이 증가합니다. 또한, 비용 증가와 복잡성 증가로 인해 ASSB의 확장성에도 영향을 미칩니다. 대량 생산이 어려워지기 때문입니다.
재료 측면에서는 고체 전해질의 높은 이온 전도도, 화학적 안정성, 열적 안정성 및 기계적 강도를 보장하기 위해 더 많은 공정 단계가 필요합니다. 이는 ASSB가 전극과 전해질이 만나는 부분에서 계면 불안정성에 취약하기 때문입니다. 계면 불안정성은 전극-전해질 계면에서 불리한 반응을 일으켜 저항층을 형성합니다. 이는 셀의 내부 저항을 증가시키고 셀 전체의 이온 이동을 감소시킵니다.
또한, 이 계면에서 발생하는 기계적 문제는 일반적인 사이클 조건에서 전극의 부피 변화로 인해 고체 전해질에 균열이 발생할 수 있습니다.
따라서 이러한 모든 잠재적인 재료 문제를 방지하려면 기존 리튬 이온 제조에는 사용되지 않는 훨씬 더 진보된 제조 기술이 필요합니다.
비용 측면에서, 현재 사용되는 재료는 비싸고 대량으로 확보하기 어렵습니다. 원자재 공정 규모가 커짐에 따라 ASSB의 비용도 낮아질 것입니다. 중국 국가발전개혁위원회(NDRC)와 국가에너지국은 최근 황화물 전해질의 비용이 액체 전해질의 5배에 달하며, 비용 절감을 위해서는 10만 톤의 황화물 생산과 전용 재활용 시스템이 필요할 것이라고 발표한 보고서를 발표했습니다. 이는 학계 연구자들이 주장하는 바와 거의 일치합니다 . ASSB의 재료 및 제조 복잡성으로 인해 리튬 이온 배터리(kWh당 기준)에 비해 비용이 약 30% 상승합니다.
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ASSB에 필요한 새로운 인프라
ASSB의 재료 제조 요건은 현재 리튬이온 배터리 제조에 사용되는 것 이상의 새로운 인프라 투자를 필요로 합니다. 이러한 추가 비용은 추가 재료 비용과 결합되어 ASSB에 대한 장벽으로 작용합니다.
대부분의 고체 전해질은 여러 겹의 박막층으로 구성되어 있으며, 필요한 특성, 고밀도화 및 계면 안정성을 보장하기 위해 결함이 없어야 합니다. 물리 기상 증착(PVD)이나 원자층 증착(ALD)과 같은 첨단 증착 기술과 첨단 층 압착 기술을 사용하여 제어된 공정 조건에서 각 층의 두께, 균일성 및 순도를 확보하려면 더 많은 시간이 소요됩니다.
이러한 제어된 공정은 이러한 요건을 충족하기 위해 많은 추가 제조 장비를 필요로 합니다. 또한, 얇은 고체 전해질층의 품질을 효과적으로 평가할 수 있는 첨단 분석 기술을 활용하여 제품 품질을 보장하기 위한 매우 견고한 품질 관리 공정이 필요합니다.
이러한 요건 외에도, 고체 전해질은 배터리의 급속한 성능 저하를 초래할 수 있는 습기 오염에 취약하기 때문에 전용 건식 시설에서 처리해야 합니다. 이는 ASSB 제조 전반에 걸쳐 엄격한 공정 관리가 필요한 또 다른 이유입니다.
건전지 전극(DBE) 방식은 ASSB(액상 배터리)에 유망한 접근법으로 떠오르고 있습니다. 제조 과정에서 용매가 필요 없고, 비효율적인 건조 단계로 인해 고체 전해질에 잔류 수분이 발생할 가능성을 줄여주기 때문입니다.
또한, 단계가 적고 에너지 비용도 낮기 때문에 비용 절감에 더욱 효과적일 수 있습니다. 이 방식은 상업적 잠재력이 매우 크며, 테슬라와 같은 기업들이 이미 도입하고 있습니다. 미래를 내다보면, 인공지능(AI)과 머신러닝(ML)을 활용하여 재료 선택 및 제조 매개변수를 최적화하는 것이 가능할 것이며, 적층 제조는 복잡한 고체 전해질을 생산하는 또 다른 적층 제조 방식으로 자리매김할 가능성이 있습니다.
선진상사는
사업장 비배출 시설계 폐기물 관련 허가업체로서
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