[한스경제=권선형 기자] 차세대 배터리 시장은 어떤 배터리가 석권할까. 이에 대해 리튬메탈 음극을 적용한 전고체 배터리(SLMB) 시장이 2035년까지 최대 470억달러(68조원) 규모로 성장할 것이라는 전망이 나왔다.
시장조사 업체 SNE리서치가 최근 발표한 보고서에 따르면 전고체 배터리시장은 2024년 2억달러(2941억원) 수준에서 2035년 보수적 관점에서 320억달러(47조원), 낙관적 관점에서는 470억 달러로 전망된다. 보수적 관점에서도 지난해에 비해 160배 증가한 수치다. 2035년 SLMB의 예상 가격은 킬로와트시(kWh)당 120달러 수준으로 예측됐다. 이러한 성장세는 전기차와 항공 모빌리티 같은 고에너지 응용 분야의 수요 확대와 리튬메탈 음극 상용화 가능성이 높아지면서 나타나는 현상이라고 SNE리서치는 분석했다.
리튬메탈배터리는 현재 주류인 리튬이온배터리의 한계를 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 솔루션으로 주목받고 있다. 전고체 배터리 역시 흑연도, 실리콘도 아닌 리튬메탈을 음극재로 사용하는 것이 필수로, 흑연을 음극재로 사용한 배터리보다 용량이 10배 높다고 평가받고 있다. 이는 양극재에서 나온 리튬이온을 리튬메탈 음극재가 더 많이 저장할 수 있기 때문으로 부피와 크기를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 이에 에너지 저장 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있어, 배터리 소형화와 전기차의 주행거리 연장에 결정적인 기여를 할 것으로 기대되는 배터리로 꼽힌다. 또한 기존 리튬이온배터리보다 충전 속도를 더 높일 수 있는 잠재력을 갖고 있다고 평가 받고 있다. 리튬이온배터리를 충전시키면, 리튬이온은 흑연의 층상 구조 틈새에 삽입돼 저장되지만 리튬메탈배터리에서는 음극으로 이동한 리튬이온이 틈새를 찾을 필요 없이 표면에서 리튬금속으로 환원돼 바로 도금돼 이론적으로 더 빠른 속도로 충전이 가능하다.
다만 리튬메탈배터리는 아직까진 상용화 과정에서 여러 기술적 장벽이 존재한다. 리튬 덴드라이트 형성, 고체 전해질 계면(SEI) 층 손상, 사이클 수명 저하 등의 문제가 대표적이다. 덴드라이트는 충전과 방전이 반복되는 과정에서 리튬이 나뭇가지 형태로 성장해 배터리 내부 단락이나 화재, 폭발 위험을 초래하는 현상이다.
리튬메탈배터리 분야에서 활발히 연구를 진행 중인 기업은 LG에너지솔루션이 꼽힌다. KAIST와의 협력을 통해 개발한 '붕산염-피란 기반 액체 전해질'은 리튬메탈 배터리의 충방전 효율과 에너지 밀도를 크게 향상시키는 성과를 거둔 바 있다.
LG에너지솔루션은 자체 연구소를 통해 리튬메탈 음극의 안정성을 높이는 보호막 기술과 계면 제어 기술 개발도 집중하고 있다. LG에너지솔루션 측은 “2027년까지 리튬메탈 배터리의 저용량 시스템용 배터리 개발이 목표”라며 “이를 위해 연간 연구개발 예산의 상당 부분을 차세대 배터리 기술에 투자하고 있다”고 밝혔다.
현재 LG에너지솔루션은 미국 스타트업과의 협력을 통해 리튬메탈 배터리의 수명을 1000사이클 이상으로 늘리는 기술을 개발 중이다.
SK온은 리튬메탈배터리 개발을 위한 독자적인 로드맵을 구축했다. 리튬메탈 음극과 고체 전해질 사이의 계면 안정성을 높이는 기술에 주력하고 있다. 이를 위해 특수 코팅 기술과 전해질 첨가제 개발에 집중하고 있다.
SK온의 연구팀은 최근 리튬메탈 표면에 나노 구조 보호층을 형성하는 기술을 개발해 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 성과를 거뒀다. 이 기술은 배터리의 안전성과 수명을 동시에 향상시키는 것으로 확인됐다. 또한 SK온은 미국과 유럽의 주요 연구기관들과 협력해 리튬메탈 배터리의 대량 생산 공정 개발에도 박차를 가하고 있다.
롯데에너지머티리얼즈는 소재 기업의 강점을 살려 리튬메탈배터리의 핵심 소재 개발에 집중하고 있다. 덴드라이트 현상을 억제하는 분리막 코팅 소재 제조 기술을 개발해 배터리의 안전성을 크게 향상시킨 점이 장점이다.
롯데에너지머티리얼즈 측은 “특수 고분자 복합소재를 활용한 분리막 코팅 기술은 리튬메탈 배터리의 가장 큰 약점인 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다”며 “이미 실험실 단계에서 500회 이상의 충방전 사이클에서도 안정적인 성능을 보여줬다”고 설명했다.
SNE리서치는 리튬메탈배터리에 향후 전망에 대해 “기술적 도전과 상업적 기회가 공존하는 전략적 전환점에 있는 상황으로 국내외 배터리 기업들은 선제적 기술 확보와 소재·공정 혁신을 통해 차세대 시장 주도권을 선점할 필요가 있다”며 “정책적 지원과 산업 생태계의 유기적 협력이 병행된다면 리튬메탈배터리는 향후 차세대 배터리 산업의 새로운 패러다임을 주도할 핵심 기술로 자리매김할 수 있을 것”이라고 말했다.
권선형 기자 peter@sporbiz.co.kr