고체전해질

Solid Electrolyte

고체전해질은 배터리의 양극과 음극 사이에서 리튬이온 등 이온이 이동할 수 있도록 하는 고체 상태의 전해질이다. 액체전해질을 대체하는 전고체 전지의 핵심 소재로, 배터리의 안전성과 에너지 밀도, 수명, 출력 등을 좌우한다.

일반적인 리튬이온 배터리는 액체전해질을 통해 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동한다. 반면 전고체 전지는 고체전해질이 이온 이동 통로 역할을 하며 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 기능도 수행할 수 있어 액체전해질과 기존 형태의 분리막을 사용하지 않는 구조가 가능하다.

고체전해질은 가연성 유기용매를 사용하는 액체전해질에 비해 누액과 발화 위험이 낮고 열적 안정성이 높다는 장점이 있다. 또한 고에너지밀도의 리튬메탈 음극을 적용하는 데 유리해 전고체 전지의 에너지 밀도를 높이고 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있는 핵심 기술로 평가된다.

고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계(폴리머계)로 나뉜다. 황화물계는 이온전도도가 높고 전극과의 접촉성이 좋아 전기차용 전고체 전지의 유력한 소재로 꼽히지만 수분에 민감하고 제조공정이 까다롭다. 산화물계는 화학적·열적 안정성이 우수하지만 소재가 단단해 전극과의 계면 접촉을 확보하기 어렵다. 고분자계는 가공성과 생산성이 좋지만 상온에서 이온전도도가 상대적으로 낮다는 단점이 있다.

고체전해질의 핵심 기술은 리튬이온이 얼마나 빠르게 이동할 수 있는지를 나타내는 이온전도도를 높이면서 전극과 전해질 사이의 계면저항을 낮추는 것이다. 충·방전 과정에서 발생하는 균열과 부피 변화, 리튬 덴드라이트 형성, 높은 제조비용과 대량생산 공정 등도 해결해야 할 과제로 꼽힌다.

따라서 고체전해질은 단순히 액체전해질을 고체로 바꾼 소재가 아니라, 전고체 전지의 안전성과 성능, 양산 가능성을 결정하는 핵심 소재로 평가된다.