리튬이온 배터리(이차전지) 성능이 이론적 한계에 근접하고, 최근 배터리에 사용되는 전해액의 안전성 문제가 대두되면서 ‘전고체 배터리’가 차세대 배터리로 주목받고 있다. 전고체 배터리란 고체 전해질을 사용해 양극, 음극, 전해질 등 주요 구성 요소가 모두 고체로 돼 있는 배터리를 말한다. 전해질이란 양극과 음극 사이에서 이온이 움직이는 통로를 제공해 전류를 흐르게 하는 물질인데, 이것이 고체로 돼 있는 게 전고체 배터리다.

일반적인 리튬이온 배터리는 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하기 위해 분리막이 필요하다. 하지만 전고체 배터리는 고체 전해질이 분리막 역할을 대신한다. 이 때문에 별도의 분리막이 없다. 특히 리튬이온 배터리는 음극 활물질1)로 흑연을 사용하나, 전고체 배터리는 리튬 금속을 음극재로 사용할 수 있다. 기존 리튬이온 배터리와 작동 원리가 동일하며 리튬이온의 배터리 내 이동으로 인해 충전·방전되는 식이다.

전고체 배터리는 고체 전해질 종류에 따라 크게 황화물계, 산화물계, 유기 고분자계로 구분된다. 황화물계 전고체 배터리는 ‘이온 전도도(전해질 내 리튬이온의 이동 속도)’ 등 기술적인 특성이 우수한 게 특징이다. 또 대량 양산에 유리하다. 문제는 황과 물이 반응하면 독성 물질인 황화수소가 생성되기 때문에 공기 중 안전성이 취약하다는 단점이 있다. 산화물계 전고체 배터리의 경우 이온 전도도가 양호하고 공기 중 안전성이 우수하나, 전해질과 전극 사이 접촉 계면 형성이 어려워 고온 소결(燒結) 공정이 필요하다. 소결이란 분말 형태의 물질에 압력과 열을 가해서 단단한 덩어리로 만드는 공정을 말한다. 유기 고분자계 전고체 배터리는 다양한 형상으로 제작이 가능하고 기존 액체 전해질과 생산공정이 유사하다. 하지만 이온 전도도가 낮고 고온에서만 사용이 가능하다는 단점이 있다.

위험성 낮지만, 출력 저하 가능성 존재

전고체 배터리의 가장 큰 장점으로는 기존 리튬이 온 배터리 대비 안전성이 높다는 점이 있다. 화재위험이 비교적 적고, 전해질 누액과 폭발 위험으로부터 안전하다는 것이다. 또 에너지밀도도 높다. 전고체 배터리는 셀을 적층해 높은 에너지밀도를 구현하기 때문에 전기차의 주행거리를 개선할 수 있다. 황화물계 전고체 배터리에 한정되지만, 분리막 없이 고체 전해질 사이로 리튬이온이 이동해 충전 시간이 짧다는 장점도 있다.

장점만 있는 건 아니다. 단점으로는 액체 전해질에 비해 낮은 고체 전해질의 리튬이온 전도도 탓에 배터리 출력이 저하된다는 점이 꼽힌다. 또 고체 전해질은 고체 양·음극 활물질 간 접촉 계면이 작고, 계면 저항이 커 배터리 성능 저하가 유발될 수도 있다. 특히 리튬 금속을 음극으로 사용할 경우 충·방전이 반복됨에 따라 음극 표면에 나뭇가지 모양의 돌기가 형성돼 화재의 위험이 있다. 그럼에도 전고체 배터리 시장 전망은 밝은 편이다. 시장조사 업체 ‘SNE리서치’에 따르면, 업계에서는 전고체 배터리가 2025~2027년 중 양산을 시작해 2035년쯤 배터리 시장의 약 10%를 점유할 것으로 본다. 이차전지 생산능력이 2028년 4867Gwh (기가와트시)에서 2035년 9049Gwh 까지 약 두 배 커질 것으로 전망되는 가운데, 같은 기간 전고체 배터리 생산능력은 33Gwh 에서 950Gwh 까지 30배 가까이 커질 전망이다.

전 세계 개발 경쟁 치열

국내 배터리 3사 및 완성차 기업도 전고체 배터리 개발 및 상용화를 추진하고 있다. 우선 삼성SDI는 국내 배터리 업체 최초로 파일럿 라인(실제 양산용 라인을 구축하기 전 시험 생산을 위해 마련하는 라인)을 조성하고 양산 기술 확보에 주력하고 있다. LG에너지솔루션은 초고에너지밀도 셀 구현을 위해 음극에 활물질이 없는 전고체 배터리를 개발하는 한편, 반고체 배터리 생산 기반도 구축 중이다. SK이노베이션은 황화물계 전고체 배터리 뿐 아니라 고분자·산화물 복합 전고체 배터리 등 두 가지를 투트랙으로 개발하고 있으며, 현대차그룹은 전고체 배터리를 여러 개로 묶는 모듈 단위로 개발을 추진하고 있다.

해외에서도 전고체 배터리 개발이 활발한데, 미국의 경우 스타트업이 투자 유치를 발판으로 전고체 배터리 개발을 주도하는 모양새다. 스타트업 ‘퀀텀스케이프’는 마이크로소프트(MS) 창업자 빌 게이츠와 폴크스바겐으로부터 약 10억달러(약 1조 3695억원)를 유치받아 2025년부터 전고체 배터리를 대량생산할 계획이다. 또 다른 스타트업 ‘솔리드파워’의 경우 삼성, 현대차, BMW 등으로부터 투자받아 2027년까지 상용화를 목표로 전고체 배터리를 개발하고 있다. 전고체 배터리 기술 분야에서 앞선 것으로 평가받는 일본에서는 도요타가 1995년부터 전고체 배터리 개발을 주도하고 있다. 오는 2028년 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 상용화하는 게 도요타 목표다.

중국은 정부 주도의 산학연 연구 플랫폼을 조성해 전고체 배터리 기술을 개발하는 한편, 전고체 배터리의 대안으로 반고체 배터리를 개발 중이다. 가령 CATL과 BYD 등 주요 배터리 기업과 대학·연구기관·정부 등이 참여하는 ‘중국 전고체 배터리 산학연 합동 혁신 플랫폼(CASIP)’을 2024년 1월 출범해 공동 학술 교류 및 기술 개발을 추진하고 있다. CATL은 현재 에너지밀도 500Wh/㎏ 이상의 반고체 배터리를 개발 중이다. 중국 배터리 기업 ‘위라이온’ 역시 에너지밀도 360Wh/㎏의 반고체 배터리를 차량에 탑재해 장거리 주행을 시연했으며, 중국 전기차 기업인 ‘니오’는 반고체 배터리를 장착해 양산되는 세계 최초의 전기차 모델을 공개한 바 있다.

글로벌공급망분석센터 

글로벌 공급망 이슈에 대한 상시·전문적 분석 역량을 갖춘 국내 유일의 공급망 분석 전문 기관으로, 2022년 2월 9일 출범했다. 정부 부처, 무역관, 업종별 협회 및 주요 기업 등으로부터 수집된 주요 산업 관련 국내외 동향을 심층 분석하고, 정부·민간의 대응 전략 수립을 지원하며 ‘글로벌 공급망 인사이트’를 주간으로 발간하고 있다.