[배터리 게임 체인저] 전고체 배터리 시장 선점을 위한 한·일 전쟁

 

 

[배터리 게임 체인저] 전고체 배터리 시장 선점을 위한 한·일 전쟁

 

폭발이나 화재 위험이 있는 현재의 리튬이온 배터리의 문제를 해결할 수 있는 전고체 배터리의 개발과 상용화를 위한 기업들의 경쟁이 치열하게 벌어지고 있습니다. 오늘은 전고체 배터리의 개념, 전고체 배터리가 전기차 시장의 게임 체인저가 되는 이유, 장점, 문제점, 한·일 기업들의 개발 현황 및 미래 전망에 대하여 알아보겠습니다.

 

리튬이온배터리(좌)에 비해 동일 용량에도 크기를 줄인 전고체 배터리(우) / 삼성SDI

 

1. 전고체 배터리란?

전고체 배터리는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 차세대 배터리입니다. 전해질은 배터리 내에서 양극과 음극을 연결하는 역할을 하는데, 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용합니다. 액체 전해질은 화재 위험이 있고, 충격과 진동에 약해 폭발 위험이 있지만, 고체 전해질은 화재 위험이 없고, 충격과 진동에 강합니다. 또한, 액체 전해질은 온도 변화에 민감하지만, 고체 전해질은 온도 변화에 비교적 덜 민감하며 에너지 밀도가 높아서 용량을 늘릴 수 있습니다.

2. 왜 전고체 배터리가 전기차 시장의 게임 체인저(game changer)인가?

1) 폭발이나 화재 위험의 현저한 감소

전고체 배터리는 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 폭발이나 화재의 위험이 현저하게 작습니다.

2) 부품 감소와 배터리 용량 증가

기존 리튬이온 전지의 안전성과 관련된 부품들을 줄이고, 그 자리에 활물질을 채워 배터리 용량을 늘릴 수 있습니다.

3) 주행거리 확대 및 충전 속도 증가

늘어난 배터리 용량 덕분에 전기차의 주행거리를 1000km까지 획기적으로 늘릴 수 있고, 충전 속도도 월등히 빨라집니다.

3. 전고체 배터리의 장점

1) 안전성 향상

액체 전해질을 사용한 기존 리튬 이온 배터리보다 화재의 위험이 낮으며, 충격과 진동에 강하고, 온도 변화에 비교적 덜 민감합니다.

2) 에너지 밀도 향상

고체 전해질은 액체 전해질보다 고체 상태로 존재하기 때문에 용량을 더 많이 저장할 수 있고 충전 시간이 짧습니다.

3) 수명 연장

고체 전해질은 액체 전해질보다 부식에 강하기 때문에 배터리 수명이 더 길어집니다.

4. 전고체 배터리의 문제점

1) 개발의 어려움

고체 전해질의 개발이 어려워 상용화에 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다. 우선 이온 전도도가 높은 고체를 구현하는 것부터 쉽지 않습니다. 왜냐하면, 고체 전해질은 이온이 흐르는 것이 아니고, 고체 격자 사이에서 이동하기 때문이며, 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서의 저항을 최소화하는 것이 해결해야 할 과제입니다.

2) 높은 생산 비용

고체 전해질의 생산 비용이 기존 액체 전해질보다 높아 가격이 상승할 것으로 예상됩니다. 현재 전고체 배터리의 제조원가는 고체전해질 주원료인 황화리튬(Li2S) 때문에 리튬이온 배터리의 5배 이상입니다.

5. 한·일 기업들의 개발 현황

전고체 배터리는 아직 상용화 단계에 있지 않습니다. 2023년 현재, 주요 자동차 제조업체와 배터리 제조업체들이 전고체 배터리 개발에 적극적으로 투자하고 있습니다.

1) 한국

가. 삼성SDI

한국에서 전고체 배터리 기술에서 가장 앞선 곳은 삼성SDI이며, 지난해 3월 경기도 수원 연구소 내에 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공했습니다. 올해 6월 시제품 생산을 시작으로 하반기에 고객향 샘플을 생산해 완성차업체의 데모 차량에 탑재할 계획도 진행 중이라고 합니다. 삼성SDI는 2027년부터 전고체 배터리 양산을 목표로 준비 중입니다.

나. 현대자동차

현대자동차그룹도 직접 전고체 배터리를 개발하고 있습니다. 차세대 배터리 양산성을 검증하기 위해 2024년 의왕연구소에 차세대 배터리 연구동을 완공할 예정이며, 미국 솔리드파워 등 업체와 전고체 배터리 요소와 공정기술 확보를 위해 협업 중이고, 미국 솔리드에너지시스템(SES)과는 리튬메탈 배터리를 공동 개발하고 있습니다.

다. LG에너지솔루션

LG에너지솔루션은 올해 1분기에 지난해 동기보다 23.3% 늘어난 2천262억원을 연구개발비로 투입했으며, 배터리 생산라인 신·증설에 지난해 같은 기간(9천90억원)의 2배 수준인 1조8천104억원을 투자했습니다.
또한 LG에너지솔루션은 미국 인플레이션 감축법(IRA) 대응을 위해 글로벌 배터리 기업 중 북미 지역에 가장 많은 공장을 건설하고 있습니다. LG에너지솔루션은 향후 미국 내 생산능력을 제너럴모터스(GM) 1·2·3 공장(140 GWh), 혼다 JV(40 GWh), 미시간 단독공장(26 GWh), 애리조나 단독공장(43 GWh) 등을 포함해 총 250기가 와트시(GWh)까지 확대힐 계획입니다.

라. SK온

SK온은 2025년까지 대전 배터리연구원에 총 4천700억 원을 투입해 연구원 시설을 확장하고 차세대 배터리 파일럿 플랜트를 신설하고 전고체 배터리용 소재 개발을 위한 실험 공간과 시범 생산 라인 등을 설치할 계획입니다. SK온은 2024년 하반기에 전고체 배터리 시제품을 개발하고 2028년 상용화에 돌입하는 것이 목표입니다.

2) 일본

가. 토요타

2023년 현재, 전고체 배터리 개발에 가장 앞서 있는 회사는 일본의 도요타입니다. 토요타는 2020년 세계 최초로 전고체 배터리를 탑재한 차량으로 시험 주행에 성공했습니다. 토요타는 2027년 전고체(全固體) 배터리를 탑재한 전기자동차를 내놓겠다는 계획을 발표했습니다.

나. 소니

소니는 2015년부터 전고체 배터리 개발을 시작하여, 2021년에는 20Ah급 전고체 배터리 시제품을 개발했습니다. 소니는 2023년까지 전고체 배터리 양산 기술을 확보하고, 올해부터 소형 전자기기용 전고체 배터리를 양산할 계획이며, 2025년부터는 전기차용 전고체 배터리 양산을 시작할 계획입니다.

6. 미래 전망

- 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 안전하고, 에너지 밀도가 높으며, 수명이 길다는 장점이 있어서 향후 전기차 시장에서 주류로 자리 잡을 것으로 전망되며, 전기차 외에도 에너지 저장 시스템(ESS), 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대됩니다..

- 전고체 배터리의 상용화가 이루어진다면, 전기차의 안전성과 주행거리가 크게 향상될 것으로 기대됩니다. 또한, 전기차의 생산 비용이 낮아져, 전기차의 대중화가 더욱 빨라질 것으로 예상됩니다.

- 전고체 배터리의 상용화 시점은 아직 정확히 밝혀지지 않았지만, 2025년 이후에는 본격적인 상용화가 이루어질 것으로 전망됩니다. 하지만 아직까지는 개발 초기 단계에 있으며, 상용화에는 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다. 또한, 고체 전해질의 생산 비용이 기존 액체 전해질보다 높아 가격이 상승할 가능성도 있습니다.

- 전고체 배터리의 상용화를 위해서는 고체 전해질의 개발과 생산기술의 개선이 필요합니다. 또한, 가격 경쟁력 확보를 위한 노력도 필요합니다.