전고체 배터리

출렁거리는 주스를 단단한 젤리로 굳히면 컵이 넘어져도 내용물이 밖으로 쏟아지지 않아요. 우리가 쓰는 스마트폰과 전기차 배터리도 이와 비슷해요. 기존 리튬 이온 배터리는 전기를 전달하기 위해 기름처럼 불붙기 쉬운 액체 전해질을 가득 채우고 있어요.

배터리에 큰 충격이 가해지거나 내부 부품이 손상되면, 순식간에 높은 열이 발생하면서 액체에 불이 붙어요. 스마트폰 배터리가 부푸는 건 액체 전해질이 분해되며 가스가 생기기 때문이고, 전기차 화재가 무섭게 번지는 데에는 불에 잘 타는 이 액체가 큰 몫을 해요. 여기에 열이 연쇄적으로 쌓이며 옆 칸으로 옮겨붙는 '열폭주' 현상이 함께 일어나요.

전고체 배터리는 이 위험한 액체를 돌이나 세라믹처럼 단단한 고체로 바꿨어요. 불이 붙을 액체 자체가 없기 때문에, 배터리에 구멍이 뚫리거나 반으로 잘려도 불이 번질 위험이 훨씬 낮은 뛰어난 안전성을 자랑해요. 다만 위험이 완전히 0이 되는 것은 아니에요.

기존 액체 배터리는 양극(+)과 음극(-)이 직접 맞닿으면 합선(단락)으로 열이 나서 불이 날 수 있기 때문에, 중간에 얇은 플라스틱 분리막을 두고 두꺼운 보호 케이스를 씌워야 했어요. 안전을 지키기 위한 방어벽들이 배터리 공간의 일부를 차지했죠.

하지만 고체 전해질은 물질 자체가 단단해서 스스로 양극과 음극을 갈라놓는 튼튼한 벽 역할을 해줘요. 또 불이 잘 붙지 않아서 배터리 팩의 냉각·안전 부품을 일부 줄일 수 있을 것으로 기대돼요.

더 중요한 점은, 고체 전해질이 에너지를 많이 담는 리튬 금속 음극을 쓸 수 있게 해 줄 유력한 방법으로 꼽힌다는 거예요. 이 기술이 완성되면 같은 부피라도 더 많은 전기를 저장할 수 있어서, 전기차에 넣으면 한 번 충전으로 달리는 주행 거리를 크게 늘릴 수 있을 것으로 기대돼요.

조금 더 정확히 말하면, 고체 속에서 이온(전기를 띤 알갱이)을 빠르게 움직이게 만드는 일은 액체 속에서보다 훨씬 어려워요. 물속을 가볍게 헤엄치는 것보다 단단한 바위 틈을 비집고 지나가는 것이 훨씬 힘든 것과 같아요.

또한 배터리를 충전하고 방전할 때마다 물질이 미세하게 부풀었다가 줄어들어요. 이때 고체 전해질과 전극 사이에 미세한 틈이 생기면 전기가 제대로 통하지 않게 돼요. 두 고체 물질이 서로 빈틈없이 완벽하게 맞닿아 있어야 제 성능을 낼 수 있거든요.

과학자들은 이온이 고속도로처럼 질주할 수 있는 새로운 고체 물질을 찾아내고, 두 물질 사이의 접촉면을 매끄럽게 유지하는 기술을 집중 연구하고 있어요. 충전을 거듭할 때 고체 전해질을 뚫고 자라는 리튬 결정(덴드라이트)을 막는 것도 남은 숙제예요. 생산 단가를 낮추고 대량 생산 공정을 완성하는 것까지가 상용화를 위한 핵심 열쇠예요.