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1. 이차전지와 전고체 배터리
1.1. 이차전지의 종류와 역사
이차전지는 한번 사용 후 버려지는 1차전지(primary battery, 일반 건전지)와 달리 에너지를 발생하여 소비한 후 역으로 전류를 다시 배터리 내부로 충전하여 반영구적 재사용이 가능한 전지이다. 2차 전지는 노트북 컴퓨터와 휴대전화 등 휴대용 전자기기뿐만 아니라 친환경 시대의 전기 자동차의 핵심소재이며, 부가가치가 높아 반도체 및 디스플레이와 함께 21세기 '3대 전자부품'으로 꼽힌다. 2차전지는 2011년 기준 세계시장규모가 200억 달러를 돌파하였으며 전기자동차 시장 성장과 더불어 중대형 2차전지 시장의 급격한 성장으로 향후 그 시장 규모가 확대될 것으로 전망된다.
2차 전지는 충전 물질에 따라 니켈전지, 이온전지, 리튬이온전지, 폴리머전지, 리튬폴리머전지, 리튬-황전지 등으로 나눌 수 있다. 제작이 용이하고 저렴한 납축전지와 소형기기에 적합한 니켈계 전지가 20세기 중반까지 2차전지 산업을 독식하였다. 하지만 모바일기기 등 IT기술의 빠른 발전에 따라 2차전지의 높은 휴대성이 점차 요구되었고, 이에 중량과 부피에 민감하며 고출력을 필요로 하는 전자제품 시장을 상대적으로 높은 가격에도 불구하고 고성능의 에너지 밀도와 고효율을 낼 수 있으며 긴 수명을 가진 리튬이온 배터리가 점유하게 되었다.
1.2. 차세대 이차전지
리튬이온 배터리는 일반적으로 2V 이하에서 방전시 열화가 진행되며, 과충전 시 발열반응 및 가스 발생을 야기한다. 이러한 특성으로 리튬이온 배터리의 경우 전기적 혹은 기계적 안전장치가 필요하며, 액체형 양극제와 음극제 사이 분리막을 배터리 셀 내부에 구비해야 한다. 리튬이온 배터리는 발화 및 폭발의 위험성, 낮은 내충격성 등 안전성에 대한 태생적 한계를 가지고 있기 때문에 이를 타개하고 차세대 전지산업의 판권을 확보하기 위해 여러 국가와 기업들이 차세대 전지에 대한 연구와 개발을 시도하고 있다.
리튬-황 전지는 양극재와 음극재를 각각 황과 리튬을 사용해서 리튬이온 전지 대비 3배 이상의 높은 에너지밀도를 구현할 수 있으며 저가인 황을 사용하기 때문에 전지의 제조원가를 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다. 리튬-공기 전지는 공기(산소)를 양극재로 음극재로 리튬을 이용하는 2차 전지로, 구조가 단순하며 이론적으로 리튬이온 전지의 5~10배 정도의 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 따라서, 저장할 수 있는 에너지 용량을 대폭 늘릴 수 있는 동시에 리튬이온 전지보다 싸고 가볍게 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.
나트륨/마그네슘 이온전지는 리튬 대신 나트륨이나 마그네슘을 음극재로 사용함으로써, 전지의 안전성을 확보하면서 값싼 원재료를 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 나트륨/마그네슘 이온 전지는 가격변동성과 공급안정성에 취약한 리튬이온전지의 약점을 해결할 수 있다. 다만 기존 리튬이 아닌 새로운 금속 이온을 활용하는 전지이기 때문에, 안전성과 성능의 신뢰성이 충분히 쌓이지 않은 상태다. 발생 가능한 위험요인을 예측하기가 매우 어렵다는 문제가 있다.
최근에는 안전성과 고용량의 강점을 가진 전고체전지가 차세대 전지의 유력 후보로서 압축되고 있는 모습이다. 차세대 전지의 여러 후보들 중 전고체전지는 지난 10여년간 기술 개발 속도가 비교적 빠르게 진행되어 온 데다 리튬이온전지의 고질적인 불안 요소인 안전성을 해결해 줄 수 있다는 기대감까지 더해져 가장 현실적 대안으로 인식되고 있다. 또한 전고체전지는 기존 리튬이온전지보다 3배 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있어 고용량과 경량화에 유리하며, 낮은 저항의 특성으로 보다 많은 충전 사이클이 가능해 사용 수명을 늘릴 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 특성으로 향후 고성능을 필요로 하는 전자제품을 비롯한 전기차(EV)에도 주요 채택 기술로 채택될 가능성이 높다. 주행거리에 있어서도 리튬이온배터리보다 2배 이상의 성능을 보여 향후 첨단 기술력이 사용될 자율주행차, UAM 산업에서 필수적인 기술로 예측할 수 있다.
1.3. 전고체 배터리
전고체 배터리는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체 소재에서 고체 소재로 대체한 차세대 배터리이다. 전고체 배터리는 액체 전해질의 약점인 외부 충격에 의해 내부 파손시에도 전해질의 누액이나 폭발의 위험을 획기적으로 줄일 수 있고, 고온이나 고전압 사용 환경에서 성능 저하를 막을 수 있다. 이러한 전고체전지는 안전성, 고용량, 디자인 자유도에서 강점을 지닌다.
기존 리튬이온 전지를 대체할 차세대 전지의 유력 후보로 평가받는 전고체 전지는 지난 10여년간 기술 개발 속도가 비교적 빠르게 진행되어 왔다. 전고체전지는 기존 리튬이온전지보다 3배 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있어 고용량과 경량화에 유리하며, 낮은 저항의 특성으로 보다 많은 충전 사이클이 가능해 사용 수명을 늘릴 수 있을 것으로 기대된다. 또한 주행거리에 있어서...
