▲ 2차전지의 양극와 음극사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체해 안전성과 효율을 높인 전고체전지

차세대 배터리인 전고체배터리 개발 및 양산을 놓고 K-배터리 대기업간 경쟁이 뜨겁다. 차세대 배터리를 누가 선점하고 키 메이커가 될지 귀추가 주목되고 있다.

지난 17일부터 19일까지 열린 국내 최대 규모의 이차전지 전시회인 인터배터리 2022에서는 차세대 꿈의 배터리로 불리는 전고체배터리가 주목받았다.

▲ 삼성 SDI연구소 전경

전고체배터리는 리튬이온배터리의 핵심소재 중 하나인 전해질을 액체가 아닌 고체로 변경한 배터리로 안전성이 크게 향상되고, 음극 또한 기존의 실리콘이나 흑연계열이 아닌 리튬금속을 활용하는 등 에너지밀도를 눈에 띄게 높일 수 있다. 또 충전 속도 또한 매우 빠르기 때문에 기존 배터리의 단점을 보완하는 게임체인저로 불리고 있다.

삼성 SDI는 황화물계 전해질을 적용한 전고체 배터리를 개발중으로 폴리머와 산화물계에 비해 급속 충전이 유리하고 생산규모도 늘리기가 쉽다는 장점이 있다.

삼성SDI가 전고체배터리 전용 제조공정을 도입해 수원 영통에 2천평규모의 전고체배터리 파일럿 라인을 착공한 바 있다. 주요 배터리사 가운데 전고체 파일럿 라인을 가장 먼저 설립하게 됐다. 회사는 전고체배터리 공장의 양산을 2027년경으로 예측하고 있다.

▲ LG에너지솔루션의 전고체전지 소개 디스플레이

LG에너지솔루션은 2026년 상용화를 목표로 개발중에 있는 고분자계열의 전고체배터리 등을 전시했다. LG에너지솔루션은 업계 최초로 황화물계와 고분자계 두 전고체를 모두 개발중이다. 고분자계는 2026년 상용화를 목표로 하며 2030년에는 황화물계 전고체 배터리 상용화를 비전으로 제시했다.

고분자계열의 전고체배터리는 기존 리튬이온배터리의 생산공정 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있지만 이온전도도가 낮은 아쉬움이 있다. 황화물계열의 전고체배터리는 이온전도도와 특유의 안전성은 높은 수치이지만 수분에 취약한 단점이 있다.

▲ LG에너지솔루션과 UCSD가 공동 개발한 상온 구동 장수명 전고체 전지의 충전 진행 과정.

LG에너지솔루션은 이에 미국 샌디에고대(UCSD)와 마이크로실리콘을 음극재로 적용한 상온 구동 가능 황화물계 전고체배터리를 개발했다. 이는 500번이상의 충방전 이후에도 80%이상 잔존용량을 유지하는 등 상용화에 기술적인 진일보를 이뤘다는 평을 받는다.

▲ SK이노베이션은 美 솔리드파워와 전고체배터리 개발 350억 투자한 바 있다.

SK온은 올해 4조규모의 투자에 나서는 등 글로벌 배터리 기업 도약에 승부수를 걸었다. 지동섭 SK온 대표는 인터배터리 현장에서 전고체배터리를 준비하고 있다고 밝힌 바 있다.

미국의 솔리드파워에 352억을 투입해 리튬이온 대비 주행거리가 33%늘어나는 전고체배터리 개발 등 기술투자에 노력하는 등 SK온은 자체적인 연구개발 솔루션을 통해 전고체배터리 연구를 진행중이다.

▲ 리튬이온전지와 전고체전지의 비교. 포스코 제공

그밖에 포스코 그룹도 전고체배터리 등 이차전지소재 사업의 선제적인 투자와 기술혁신을 진행중이다. 포스코 그룹은 경남 양산시에 고체전해질 공장을 착공하고 차세대 배터리 시장 선점에 나선다.

공장은 올 하반기부터 연산 24톤의 고체전해질을 생산 예정이며 이는 현재 고체전해질 시장규모를 감안할 때 글로벌 최고 수준의 생산능력이다.

하지만 전고체배터리 상용화를 위한 많은 난관이 남아있다. 낮은 이온전도성과 제조공정 및 양산화 어려움, 높은 단가 등이 대표적이다. 또한 고체형태의 전해질과 양극음극, 그리고 도전재와의 계면 불안전성, 이로인한 활성 리튬 손실이나 내부 단락 발생 등 문제가 커 각사는 이러한 문제 해결에 최선을 다하고 있다.

한편, SNE리서치에 따르면 전고체 배터리의 탑재량은 2025년 16GWH, 2030년에는 135GWH규모로 늘어날 것으로 예상되고 있다. 업계 전문가들은 2030년 전체 시장 수요 3245GWH 기준의 4%에 불과하지만 제조비용 절감 등 경제적 측면을 고려하면 폭발적으로 증가할 수 있다고 보고있다.

▲ 삼성전자 종합기술원 전고체전지 기술관련 인포그래픽