전고체 배터리 삼성전기 소형 웨어러블 탑재

전고체 배터리 삼성전기 소형 웨어러블 탑재

 

전고체 배터리(Solid-State Battery, SSB)는 삼성전기 측에서 개발한 드림 배터리로써 소형 전고체 배터리에 관심이 많이 쏠리고 있습니다.

 

기존에 쓰인 리튬 이온 배터리의 한계를 극복하고, 전기차 및 에너지 저장 장치(시스템)에서 새로운 혁신을 가져올 중요한 기술로 주목받고 있습니다.

 

이어폰 전고체 배터리 탑재

 

이어폰 전교체 배터리 탑재 구상입니다.

 

 

 

쉽게 말해 액체 형태 전해질 대신 고체를 사용해 에너지 밀도와 안정성이 높을뿐더러 모양과 상태의 자유도가 높아 곡면, 다각 등 다양한 형태로 제작할 수 있습니다.

 

차이점으로는 우리가 많이 사용한 리튬 이온 배터리가 액체 전해질을 사용하는 반면, 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하여 더 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공한다는 점입니다.

 

특히 이번에 삼성전기가 개발 완료한 웨어러블에 탑재되는 소형 전고체 배터리는 기준 평균적인 배터리 크기의 한계를 극복했다는 평을 받고 있습니다.

 

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전고체 배터리 에너지 출력 모습

 

전고체 배터리 에너지 출력 구상 모습입니다.

 

 

이러한 특성 덕분에 전고체 배터리는 전기차의 주행 거리 연장, 안전성 향상, 충전 속도 증가 등 다양한 혜택을 제공하며, 배터리 기술의 새로운 장을 열고 있습니다.

 

다음을 통해 전고체 배터리에 구조, 작동원리, 장점 및 단점에 대해 쉽게 알아보겠습니다.

 

전고체 배터리 구조와 작동 원리

 

1) 기본 구조

 

전고체 배터리는 양극, 음극, 고체 전해질로 구성되며, 리튬 이온이 양극과 음극 사이에서 이동하면서 전류를 생성합니다.

 

액체 전해질을 고체로 대체하면 리튬 덴드라이트 형성이 억제되어 안전성이 향상되고, 전해질 누출 위험이 제거됩니다.

 

리튬 덴드라이트는 배터리 내에서 불규칙한 금속 돌기로 형성되어 전기적 단락이나 화재를 일으킬 수 있는 위험 요소인데, 고체 전해질을 사용하면 이러한 위험을 크게 줄일 수 있습니다.

 

 

웨어러블 전고체 배터리 탑재 모습

 

웨어러블 전고체 배터리 탑재 구상 모습입니다.

 

 

2) 주요 작동 원리

 

고체 전해질은 리튬 이온을 운반하는 역할을 하며, 양극과 음극 사이의 이온 이동을 지원합니다.

 

고체 전해질이 전극 물질과 밀접하게 결합하면서 이온 이동 경로가 최적화되고, 에너지 밀도와 전도성이 향상됩니다.

 

이러한 구조적 이점 덕분에 전고체 배터리는 기존 배터리보다 더 높은 성능을 제공합니다.

 

고체 전해질 종류와 특징

 

전고체 배터리의 성능은 고체 전해질의 특성에 크게 의존하며, 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 나뉩니다.

 

각 전해질은 고유한 장점과 한계를 가지고 있습니다.

 

1) 황화물계 전해질

 

황화물계 전해질은 매우 높은 이온 전도도와 유연성을 제공합니다.

 

이 전해질은 액체 전해질과 유사한 이온 이동 경로를 제공하여 빠른 충전과 방전을 가능하게 합니다.

 

그러나 습기에 민감하여 제조와 저장 시 엄격한 관리가 필요하다는 단점이 있습니다.

 

전고체 배터리 에너지 출력 모습

 

전고체 배터리 에너지 출력 구상 모습입니다.

 

2) 산화물계 전해질

 

산화물계 전해질은 내구성과 화학적 안정성이 뛰어나며, 특히 전기차와 대형 에너지 저장 장치에서 안정성을 유지하는 데 유리합니다.

 

그러나 낮은 이온 전도도와 전극과의 접촉 저항이 성능 저하를 일으킬 수 있어 이를 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

 

3) 고분자계 전해질

 

고분자계 전해질은 유연하고 가공이 용이하지만, 고온에서만 높은 이온 전도성을 나타냅니다.

 

상온에서의 성능이 제한적이기 때문에, 저온에서도 성능을 유지할 수 있는 혼합 소재에 대한 연구가 진행 중입니다.

 

웨어러블 장치 전고체 배터리 충전 모습

 

전고체 배터리 장점과 단점

 

1) 배터리 장점

 

첫째, 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하여 화재 및 폭발 위험을 크게 줄일 수 있습니다.

 

이는 특히 전기차와 같은 대형 배터리 응용 분야에서 중요한 장점입니다.

 

둘째, 전고체 배터리는 더 높은 에너지 밀도를 제공하여 전기차의 주행 거리 증가에 기여할 수 있습니다.

 

최근 연구에 따르면 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 2배 이상의 에너지 밀도를 달성할 수 있다고 합니다.

 

셋째, 고체 전해질은 리튬 덴드라이트 성장을 억제하여 배터리의 수명을 연장합니다.

 

이로 인해 충전과 방전 사이클에서 더 안정적인 성능을 제공하며, 장기적으로 전기차와 에너지 저장 시스템(ESS)의 유지 비용 절감에 기여할 수 있습니다.

 

이어폰 충전 전고체 배터리 모습

 

이어폰 전고체 충전 구상 모습입니다.

 

 

2) 배터리 단점

 

전고체 배터리의 가장 큰 한계는 고체 전해질의 이온 전도도가 상온에서 낮다는 점입니다.

 

이 문제는 특히 산화물계 및 고분자계 전해질에서 두드러집니다. 또한 제조 공정이 복잡하고 대량 생산이 어려운 점도 상용화에 걸림돌로 작용하고 있습니다.

 

더불어, 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 제조 비용이 높아, 상업적 성공을 위해서는 비용 절감이 필수적입니다.

 

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전고체 배터리 미래 전망

 

특히 요즘 이슈가 되고 있는 전기차 배터리를 전고체 배터리로 활용하면 전기차의 주행 거리 증가와 충전 시간 단축이라는 이점을 제공하여 전기차 산업의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다.

 

거기에 전고체 배터리를 소형 기기에 탑재할 수 있도록 하여 에너지 저장 장치(시스템)에서 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공하는 차세대 배터리 기술로 자리 잡을 것입니다.

 

그러나 상용화를 위해서는 이온 전도도 개선, 제조 공정 단순화, 비용 절감 등 다양한 기술적 과제가 해결되어야 합니다. 

 

이번에 개발한 소형 전고체 배터리를 개발한 삼성전기에 감명스러움을 느꼈고 , 가까운 미래에는 전기차에 소형 배터리로 탑재되어 성능 향상에 크게 기여할 것으로 생각이 듭니다.

 

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