배터리 분리막 : 전고체전지 시대에 없어질까?

전고체전지 시대, 배터리 4대 소재인 분리막이 사라질까? 그렇지 않다!

전기차용 배터리는 LIB가 Major로 예상

안녕하세요! WAB입니다.
오늘은 분리막의 미래에 대해 살펴보겠습니다. 많은 사람들이 전고체전지(All-solid-state Battery; ASSB)가 상용화되면 LIB에만 들어가는 분리막은 더 이상 필요 없다고 생각합니다.
하지만, 정말 그럴까요?
이번 칼럼에서는 ASSB에 대한 기대와 우려를 살펴보고 LIB와 ASSB의 시장 전망을 비교 분석하여 향후 배터리 분야에서의 분리막의 향방을 살펴보겠습니다.

전고체배터리 시대에 LIB와 분리막은 과연 살아남을 수 있을까?

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자 그럼 오늘도 시작해 보겠습니다!

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전고체전지, 기대와 우려

전고체전지는 차세대 전지 중 가장 시장의 관심과 기술 개발이 집중되는 분야입니다. 정부는 '30년까지 민간 40조 원 투자 및 대규모 정부 지원을 계획하고 있으며, 전고체('27년), 리튬황('25년), 리튬금속('28년) 등의 개발 계획이 추진되고 있습니다.
이차전지에 관심 있는 사람이라면 전고체전지를 모를 리 없을 만큼 큰 기대를 받고 있는 기술입니다. 이렇듯 정부는 전고체전지 개발을 위해 R&D, 세제, 금융 지원 등 대규모 지원을 추진하고 있습니다.
하지만 계획을 자세히 들여다보면, '30년에야 EV 실증 단계가 계획되어 있습니다. 현재 전고체전지 기술은 많은 발전이 필요하며, 전고체전지 시장이 기존 이차전지 시장을 능가하지 못할 것으로 예측됩니다.

대한민국 정부 이차전지 기술개발 실증 로드맵

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전고체전지의 기술적 문제점

전고체 배터리는 우수한 성능을 가지고 있지만, 기술 개발의 어려움과 높은 단가로 인해 배터리 시장 전부를 차지하기는 어려울 것입니다.
전고체 배터리는 고체-고체 계면을 형성하기 때문에 높은 계면 저항, 전해질 두께, 입자 응집, 빈 공간 형성 등의 다양한 문제점을 가지고 있으며, 셀 양산 기술이 가장 큰 허들입니다.
실제 셀로 적용하기 위해서는 아래와 같은 문제점을 극복해야 합니다.

1. 음극재/고체 전해질 계면 특성

전고체 배터리의 음극재와 고체 전해질 계면에서는 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 주요 문제점으로는 덴드라이트(Dendrite) 형성, 낮은 계면 접촉성, 크랙 발생, 그리고 표면 화학적 문제 등이 있습니다. 이러한 문제들은 배터리의 성능 저하와 수명이 깎아 먹는 요인입니다.

2. 양극재/고체 전해질 계면 특성

양극재와 고체 전해질의 계면에서도 낮은 계면 접촉성 및 Pore 발생, lattice & strain Mismatch 발생과 같은 문제가 발생합니다. 이는 코팅, 필러 및 격자 불일치, 변형 불일치 등이 주요 문제로 지적되고 있습니다. 이러한 계면 문제들은 배터리의 효율성을 저하시킬 수 있겠죠.

3. 고체 전해질 합성 및 소재 개발

전고체전지가 상용화되려면 높은 이온 전도성을 갖고, 넓은 전기화학적 범위를 갖는 소재를 개발해야 합니다. 이는 전고체 배터리의 성능을 극대화하기 위해 중요한 요소이기 때문이죠.

4. 전고체배터리 셀 제조 공정

전고체배터리 셀 제조 공정에서는 가압 혹은 열처리 공정과 같은 복잡한 과정이 필요한데, 더욱이 기존 설비를 이용하는 쪽이 경제적이므로 R2R(Roll-to-Roll) 공정 가능 여부도 중요한 고려 사항입니다. 이러한 제조 공정상의 문제들은 대량 생산하는데 아주 치명적이겠죠?

전고체전지 기술적 문제

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고체 전해질 VS 액체 전해질 비용 비교

리튬이온 배터리(LIB)의 전해액은 '23년 글로벌 기준 9 $/kg 수준으로 낮습니다.
이에 비해 전고체 배터리 중 유망한 황화물계 고체 전해질의 주요 원료인 Li2S는 '23년 글로벌 기준 1,500~2,000 $/kg 수준으로 높습니다.
이러한 높은 비용은 전고체 배터리의 상용화를 어렵게 만드는 주요 요인 중 하나입니다.

전해액 가격 전망 ('18년 ~ '25년)

Li2S 가격 과거 트렌드 ('18년 ~ '23년)

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예견된 LIB 시장의 확대

현재 리튬이차전지 시장에서 큰 비중을 차지하고 있는 전기차 시장은 연평균 31% 성장할 것으로 예상됩니다.
'30년에는 약 5,000만 대로 현재 대비 5배 수준이 될 것으로 예상됩니다. 전체 자동차 시장에서 전기차 비율은 매년 약 7% 증가하며, '30년에는 절반이 넘는 수준에 도달할 것입니다.
그렇다면 전고체전지(ASSB)가 상용화되면 이 시장을 어떻게 나눌까요?

글로벌 EV 전망 (SNE Research)

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결론: 이차전지 시장의 확장, 그 속의 LIB와 ASSB 구도

전고체전지는 우수한 성능을 가지고 있지만, 기술 개발의 어려움과 높은 소재 단가로 인해 배터리 시장 전부를 차지하기는 어려울 것입니다.
결국 '30년 전기차 시장 기준으로 전고체전지의 침투율은 약 5% 수준으로 예상되며, 굉장히 high-trim 모델에 사용될 것입니다.
그 외의 대부분의 시장은 지금처럼 LIB가 사용될 것으로 예상하고 있습니다. 왜냐하면 대중들은 살만한 전기차를 더 원하기 때문이죠.
전기차 캐즘이 왜 왔는지 생각해 보시면 제 의견에 어느 정도 동의하실 거라 생각합니다.
따라서 LIB 수요는 곧 분리막의 수요와 직결되기 때문에 전고체전지가 상용화되더라도 향후 배터리 시장에서 분리막은 계속해서 쓰일 것으로 보는 게 맞겠습니다.

EV 시장: '30년 LIB 수요 2,943 GWh / ASSB 수요 131 GWh로 예상
전체 배터리 시장: '30년 LIB 수요 4,504 GWh / ASSB수요 149 GWh로 예상

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다음 시간에는..

전고체전지에 대해서 아직 말씀드리지 못 한 것들에 대해 준비해 오겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다.

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