[기획] 배터리업계, ‘꿈의 배터리’ 전고체 개발 속도전

[현대경제신문 이소희 기자] 글로벌 전기차 시장이 빠르게 확대되고 있다. 주요 완성차 업체들은 전기차 수요 급증에 대비 연 생산 목표를 서둘러 높여 잡고 있다. 현대차그룹 또한 2026년 전기차 생산목표를 기존 100만대에서 170만대로 상향조정했다. 전기차 시장 확대에 따라 전기차 제품 성능 향상의 핵심 부품인 배터리에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 특히 기존 전기차 시장의 패러다임을 뒤집어 놓을 수 있을 것으로 기대되는 전고체 배터리 개발에 대한 관심이 급증하고 있다. [편집자주]

국내 배터리업계가 전기차 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 ‘전고체 배터리’ 개발에 적극 나서고 있다.

전고체 배터리는 기존 액체 형태 전해질을 고체 형태로 바꾼 것으로 이른바 ‘꿈의 배터리’라 불린다. 기존 대비 배터리 용량을 대폭 늘려 한 번 충전으로 800Km가량 주행이 가능할 뿐 아니라, 무게·부피·화재 위험을 줄일 수 있다.

상용화까지 넘어야 할 과제가 많은 상황이나 전기차 시장 확대와 함께 전고체 배터리에 대한 시장 기대치가 상당해 시장 선점을 위한 업체 간 기술 개발 경쟁 또한 갈수록 치열해지고 있다. 

SK이노베이션, 新 고체 전해질 개발 위한 협력 강화

SK이노베이션은 전고체 배터리의 핵심 요소인 고체 전해질 개발에 집중하고 있다.

지난 16일 SK이노베이션은 미국 조지아 공대의 이승우 교수진과 차세대 전고체 배터리 시대를 앞당기기 위해 협력하기로 했다고 밝혔다.

이승우 교수는 KAIST와 공동으로 혁신적인 고무 형태 고분자 고체 전해질을 개발, 세계적인 학술지인 ‘네이처(Nature)’지에 지난 13일 논문이 소개되는 등 해당 분야의 석학이다.

이승우 교수가 개발한 고체 전해질은 기존 고체 전해질의 단점인 이온전도도를 100배나 향상하는 동시에 고무 같은 신축성도 가진다.

이온전도도는 배터리 내부에서 이온이 얼마나 잘 이동할 수 있는지를 말한다. 이온전도도가 높을수록 배터리 성능이 향상된다.

또한 고체 전해질 신축성이 뛰어나면 배터리 내부에서 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 ‘덴드라이트(dendrite)’로부터 전해질이 손상되지 않아 안전성을 확보할 수 있다.

이승우 교수가 개발한 기술을 도입하면 한번 충전으로 현재 500km 가량인 전기자동차 주행거리가 800km까지 가능할 것으로 전망된다.

앞서 SK이노베이션은 지난해 10월 미국 솔리드파워와 기존 리튬이온 배터리 생산 설비에서 제조할 수 있는 전고체 배터리를 함께 개발하기 시작했다. 2020년부터는 노벨상 수상자 존 굿이너프(John Goodenough) 텍사스대 교수와 협업을 이어오고 있다.

이성준 SK이노베이션 환경과학기술원장은 ”탁월한 연구 성과를 거둔 이승우 교수진과 협력해 꿈의 전지라 불리는 전고체 배터리 시대를 앞당겨 회사의 기술 경쟁력을 강화하는 한편 인류의 편의에 기여할 것”이라고 말했다.

LG에너지솔루션, 상온 충전 등 전고체 배터리 난제 개선

LG에너지솔루션은 전고체 배터리의 난제 중 하나인 상온 충전 문제 개선에 집중하고 있다.

LG에너지솔루션은 지난해 9월 미국 샌디에이고 대학교(UCSD)와 공동 연구로 상온에서 충전 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했다고 밝혔다.

전고체 배터리는 온도에 민감해 60도 이상의 환경에서만 충전할 수 있는 기술적 한계가 있다.

이번에 개발된 전고체 배터리는 상온(25℃)에서도 빠른 속도로 충전이 가능하다. 실리콘을 적용한 전고체 배터리 중 상온에서 충방전 수명이 500회 이상인 건 처음이다.

연구팀은 리튬 금속을 음극으로 적용해 생긴 전고체 배터리의 한계를 해결하고자 음극에서 도전재와 바인더를 제거하고 5um(마이크로미터) 내외의 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용했다.

실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재에 비해 10배 높은 용량을 가져 배터리의 에너지 밀도 향상을 위한 필수 소재로 손꼽히지만 충·방전 중 큰 부피 변화 때문에 적용이 까다로운 소재로 알려졌다.

연구에 사용된 마이크로 실리콘은 음극재의 부피 변화를 억제하기 위해 기존에 사용된 100nm(나노미터) 이하의 나노 실리콘보다 저렴하고 사용이 더 용이하다는 장점도 있다.

개발된 전고체 배터리는 500번 이상의 충·방전 이후에도 80% 이상의 잔존 용량을 유지하고, 현재 상용화된 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도를 약 40% 높일 수 있다.

김명환 LG에너지솔루션 CPO 사장은 “이번 연구 결과를 통해 전고체 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가가게 됐다”며 “앞으로도 적극적인 오픈 이노베이션 전략을 통해 차세대 배터리 분야에서도 차별화된 기술력으로 세계 시장을 선도해나갈 것”이라고 말했다.

삼성SDI, 최고 수준 기술력 보유...2027년 상용화 목표

삼성SDI는 전고체 배터리 관련 기술을 최다 보유했다고 알려져 상용화에 가장 앞섰다고 평가받고 있다.

삼성SDI는 2013년부터 전고체 배터리 기술을 선보이기 시작, 현재는 상용화를 위한 요소 기술 개발단계에 접어들었다고 알려졌다. 이러한 기술을 기반으로 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력하고 있다.

앞서 삼성SDI는 지난해 3월 전고체 배터리 기술 연구결과를 ‘네이처 에너지’에 공개했다. 기존 리튬이온 배터리 대비 용량은 커졌으며 크기는 절반 이하로 줄었다. 1회 충전으로 주행거리 800km를 달리고 1000회 이상 충·방전이 가능한 것이 특징이다.

또한 같은해 9월에는 개발 중인 차세대 전고체 배터리를 국제전기자동차엑스포에서 선보이기도 했다.

삼성SDI는 2025년 전고체 배터리 기술 개발을 완료해 2027년 상용화를 이룬다는 목표다. 2027년에 양산될 전고체 배터리는 1회 충전으로 주행거리가 900km 이상이 될 것으로 보고 있다. 급속 충전 관련 기술은 연구 중이라고 알려졌다.

전고체 배터리 개발에 속도가 붙고 있으나 가격 경쟁력 확보 등 상용화까진 과제 또한 적지 않다.

업계 관계자는 “전고체 배터리는 ‘꿈의 배터리’라고 불리는 만큼 개발이 불가능할 것이라는 의견이 많아 상용화 시기는 예측하기 어렵다”며 “개발이 완료된다고 해도 현재 상용화된 리튬이온 배터리 대비 단가가 너무 비싸거나 양산성이 떨어져 가격 경쟁력과 정량화를 위한 기술 개발이 더 이뤄져야 하는 상태”라고 말했다.