▲ LG에너지솔루션의 전고체배터리 개발 로드맵

LG에너지솔루션이 글로벌 연구기관과의 협업을 통해 2026년 고분자계(폴리머)를 시작으로 2030년 황화물계 전고체배터리를 선보일 것이라고 밝혔다.

LG에너지솔루션 김제영 상무는 13일 서울 코엑스에서 개최된 NGBS(Next Generation Battery Seminar) 2022'에서 LG에너지솔루션의 전고체배터리 양산 계획을 밝히며 현재 UC샌디에고, 카이스트, 유럽 등 연구소를 짓고 프론티어리서치랩을 꾸리는 등 연구개발에 많은 투자를 하고 있다고 밝혔다.

기존 리튬이온 배터리의 부족한 점을 대체하고 더 나은 배터리 성능 및 안전을 위한 연구개발이 이뤄지는 가운데 차세대 배터리로 손꼽히는 전고체배터리 개발 경쟁이 뜨겁다. LG에너지솔루션은 고분자계, 산화물계, 황화물계 등 전고체배터리 중 고분자계와 황화물계를 선택해 이를 개발 및 양산할 계획이다.

▲ 글로벌 배터리 시장 수요 전망 및 전고체배터리 시장 전망

전고체배터리의 향후 전망 및 방향에 대해 김 상무는 리튬이온 배터리의 시장 수요가 2030년 최대 3,670 GWh로 커지는 가운데 전고체배터리의 시장도 135GWh로 함께 커질 수밖에 없지만, 아직까지는 업계의 전망치에 대해 물음표가 많다고 말했다. 이후 연구개발 방향에 따라 그 전망치는 더 커질 수도 작아질 수도 있는 유동적인 숫자라는 것이다.

이어 전고체배터리 어플리케이션에 대해서 박막전지, 폴리머일렉트로라이트 등을 상용한 일부 사용처부터 서서히 진행될 것이라고 말했다. 기존 리튬이온배터리가 구현하기 힘든 어플리케이션인 사막 등 극한 환경에 노출된 ESS, 일부 웨어러블 기기 등에 기회가 있을 것이라는 설명이다. 이에 전고체배터리가 성공적으로 런칭이 되면 2030년부터는 자동차 시장에도 적용이 될 것으로 예상했다.

그는 전고체배터리의 경우, 한가지 타입으로는 특성을 내기가 어려운 경우가 있어, 이럴 경우 고분자계에 액체를 타거나 산화물계 등 두세개 물질을 혼합해 사용하는 하이브리드가 초창기에 먼저 사용될 것이라고 전망했다.

업계에서는 고분자계가 초기에 많이 사용되고 나중에 산화물, 황화물계가 성장한다고 전망하지만, 김상무는 초기에는 하이브리드 타입이 많이 사용될 것이라며 향후 다양한 하이브리드 타입이 사용되다 궁극적으로는 전고체배터리인 올솔리드 타입으로 변해갈 것이라고 예상했다.

▲ 전세계 전고체배터리 개발현황

현재 글로벌 시장의 개발 현황에 대해서는 폴리머계열의 블루솔루션, 하이드로퀘백, 아이오닉 머트리얼즈 등이 고분자계열을 진행중이며, 산화물계에서는 퀀텀스케이프와 위라이언, SES 등이 나서고 있다. 황화물계에서는 국내 배터리사인 삼성SDI, LG에너지솔루션을 포함한 큰 회사들 CATL, 도요타, 파나소닉 등이 모두 뛰어든 상태다.

김 상무는 “결국 궁극적 방향성은 끝으로 갈수록 순수한 올 솔리드 스테이트의 전고체배터리를 추구할 수밖에 없고 이때 황화물계 밖에는 답이 없다”고 말했다.

황화물계가 이처럼 전고체배터리의 끝판왕으로 불리는 이유는 100% 솔리드를 추구하는게 전고체배터리의 지향점이기 때문이다. 그는 개발 진도는 각기 다르지만 각 배터리사 별로 공통적인 문제점을 갖고 있을 것이며 이를 얼마나 극복하느냐가 배터리사들의 주요 문제가 될 것이라고 전했다.

LG에너지솔루션은 이에 고분자계와 황화물계를 양립해 연구중이다. 고분자계 폴리머 스테이트는 기존 인프라 등을 활용할 수 있는 장점이 있어 2026년 상용화를 계획중이다. 궁극적 개발 방향인 황화물계는 900Wh/L정도의 고에너지밀도 배터리로 2030년까지 개발을 목표로 한다. 하지만 기술적 허들이 많고 상업화까지는 어려운 부분이 많다.

두가지 타입을 모두 연구하는 이유에 대해 김 상무는 “황화물계는 리스크가 많고 단기간 극복이 어려워 시간이 많이 필요한 상황이기 때문에 전고체배터리의 상업화 계획을 위한 중간단계로서 고분자계도 함께 개발하고 있다”고 전했다.

고분자계는 액체전해질을 섞을 수 있고 하이브리드 등에 용이하기 좋은 실용적인 소재다. 공정자체가 달라질 게 없고 큰 압력을 요구하지도 않으며 플렉서블한 장점이 있어 제조에 용이하고 오퍼레이션도 편리하다. 그러나 고분자계는 이온전도도가 기본적으로 낮은 단점이 있으며 액체와 혼합 시 안전성이 낮아지는 단점이 있다.

황화물계는 이온전도도가 굉장히 높다. 데이터상으로만 치면 액체만큼 높은 것도 있다. 고분자만큼 소프트하진 않지만 산화물계보다는 유연한 편이다. 안전성에 대한 기대치가 매우 높으며 고온에서 유리한 장점이 있다. 그러나 황화물계는 수분에 매우 취약해 안전성이 떨어진다. 수분에 노출되면 가스가 발생하는 등 극도의 드라이컨디션에서만 제조해야하는 어려움이 있다. 또 높은 압력을 가해야해 공정에 부담이 있다.

▲ LG에너지솔루션은 글로벌 석학과의 공동연구개발에 투자해 유의미한 성과를 거두고 있다.

LG에너지솔루션은 개발에 필요한 시간을 절감하기 위해 글로벌 석학들과의 공동연구를 통해 랩에서 아이디어를 얻어 연구를 심화하고 있다. 일례로 카이스트 김의석 교수와 음극 카본 소재 연구 등을 진행했다. 추후 연구와 스케일업, 양산까지의 가능성을 기초부터 시험하고 있다.

또한 전세계 프론티어 리서치랩에서 석학들과 황화물계 전고체 배터리의 난제를 풀어보는 과정에 있으며 UC샌디에고, 카이스트에 이어 올해는 유럽에도 리서치랩을 꾸밀 예정이라고 밝혔다.