[한스경제=권선형 기자] K배터리 3사가 배터리 게임체인저로 불리는 전고체 배터리 기술개발 및 상용화에 속도를 내고 있다. 향후 전고체 배터리가 시장에서 가장 많이 사용될 것으로 전망됨에 따라 전고체 배터리 기술을 선점하기 위한 사전 포석으로 풀이된다. 시장 조사 기관 SNE리서치에 따르면, 전고체 배터리 시장은 2021년 2GWh에서 2025년 16GWh, 2030년 135GWh로 성장할 전망이다.

전고체 배터리는 배터리의 주요 요소가 모두 고체로 구성돼 있는 형태로, 지난 10여 년 간 기술개발 속도가 빠르게 진행되고 있다. 전고체 배터리가 기존 리튬이온 배터리가 지니고 있는 안성성 문제와 같은 내재적 불안 요소를 해결해 줄 수 있다는 기대감이 작용하고 있는 것으로 보인다.

한국과학기술정보연구원에 따르면, 전고체 배터리의 가장 큰 장점으로는 안정성이 꼽힌다. 전고체 배터리는 가연성의 액체 전해질이 고체 전해질로 대체돼 안정성이 크게 향상된다. 분리막도 필요 없어 배터리 부피가 줄어 공간 활용도 가능해 진다. 나아가 에너지 밀도도 향상 돼 전지 안정성을 확보하기 위해 사용되던 부품, 소재 적용이 줄어들어 크기를 소형화할 수 있는 등 다양한 효과를 기대할 수 있다.

◆ K배터리 3사, 전고체 배터리 개발 및 상용화에 속도

현재 전고체 배터리 기술 개발에 가장 앞서고 있다고 평가 받는 기업은 도요타다. 한국과학기술정보연구원에 따르면, 도요타는 2000년대 초반부터 전고체 배터리 연구를 시작해 현재 2,000여건의 전고체 배터리 특허를 보유하고 있다. 2020년에는 파나소닉과 합작사를 설립하고 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 개발하고 있다.

K배터리 3사도 전고체 배터리 개발 및 상용화에 서두르고 있다. 3사 중 가장 앞서고 있는 기업은 삼성SDI가 꼽힌다. 삼성SDI는 지난 3월 경기도 수원시 영통구에 위치한 SDI연구소 내에 약 6,500㎡(약 2,000평) 규모의 전고체 배터리 파일럿 라인(S라인)을 착공했다.

현재 'S라인'은 삼성SDI가 내세우는 전고체 배터리 제조를 위한 전용 설비들로 채워지고 있다. 전고체 배터리 전용 극판 및 고체 전해질 공정 설비, 배터리 내부의 이온 전달이 원활히 이뤄지도록 만들어주는 셀 조립 설비를 비롯한 신규 공법과 인프라를 도입할 예정이다.

삼성SDI는 그동안 고체 전해질 설계와 합성에 성공해 전고체 배터리 시제품을 만드는 등 기술 개발을 선도해 왔다고 평가 받고 있다. 아울러 삼성SDI는 독자 리튬금속 무음극 구조를 개발해 업계 최고 수준의 에너지 밀도와 높은 안전성을 확보한 바 있다. 나아가 독자 조성의 고체 전해질 소재와 리튬 음극재로 수명을 개선한 무음극 기술(Anode-less)을 개발해 업계 최고 수준의 에너지 밀도와 성능도 실현했다.

삼성SDI는 “S라인을 통해 소형 샘플셀을 제작해 성능, 소재, 부품, 공법 테스트를 진행할 예정으로, 향후 전고체 배터리 상용화를 위한 셀 대형화 및 생산 스케일업 기술을 확보해 나갈 예정”이라며, “이를 통해 업계 최고 수준의 전고체 배터리 연구성과와 생산기술을 확보할 계획”이라고 밝혔다.

SK온은 최근 단국대학교와 함께 세계 최고 수준의 리튬이온전도도를 갖는 산화물계 신(新) 고체전해질 공동개발에 성공하며, 전고체 배터리 기술개발에 속도를 내고 있다.

SK온은 “이번에 개발한 고체전해질은 리튬이온전도도를 크게 높이고, 대기 안정성까지 확보했다”고 설명했다. SK온은 이번 개발을 통해 배터리 용량도 크게 늘릴 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 액체전해질을 사용한 리튬이온배터리(LiB)의 최대 사용 전압은 최대 4.3V이지만, 산화물계 고체전해질을 사용할 경우 최대 5.5V까지 늘어나는 특징을 갖고 있다. 이를 배터리 제작에 적용할 경우, 이론적으로는 배터리 용량을 최대 25% 늘리는 것도 가능하다.

SK온은 “이 고체전해질은 현재 NCM 양극재를 기반으로 하는 전고체배터리 외에도 차세대배터리로 꼽히는 리튬-황 배터리와 리튬-공기 배터리를 전고체화 할 수 있는 소재로도 활용할 수 있다”며, “현재 개발 중인 리튬-황, 리튬-공기 배터리는 LiB와 같이 액체전해질을 사용하고 있는데, 고체전해질을 적용해 전고체 배터리로 만들 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

현재 SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발하고 있다. 두 종류 모두 2026년 초기 단계의 시제품을 생산하고, 2028년 상용화하는 것을 목표로 하고 있다. 대전 배터리연구원에 건설 중인 차세대배터리 파일럿 플랜트는 내년 완공 예정이다.

LG에너지솔루션은 고분자 소재를 이용해 기존의 리튬이온 배터리 공정을 적용하면서도 안전성이 향상된 (반)고체전지를 상업화하고, 황화물계소재를 이용해 고에너지 밀도와 안전성을 동시에 만족하는 전고체 배터리 제품화를 준비하고 있다.

LG에너지솔루션은 “나아가 리튬황 배터리도 개발하고 있다”며, “리튬황 배터리는 양극 물질로 저가의 경량재료인 황을 사용함으로써 높은 에너지 밀도와 가격 경쟁력을 가진 차세대전지로 향후 위성과 같은 역할을 할 수 있는 성층권 무인기인 HAPS 적용을 목표로 하고 있다”고 밝혔다.

권선형 기자 peter@sporbiz.co.kr