전고체 배터리는 높은 에너지 밀도, 안전성, 충전 사이클 수명 연장 등의 장점을 갖춘 차세대 배터리 기술로, 전기차와 에너지 저장 장치의 성능을 획기적으로 향상시킬 잠재력을 지니고 있습니다. 삼성SDI, LG 에너지솔루션, SK이노베이션과 같은 국내 기업들이 이 기술의 개발과 상용화를 위해 적극적으로 도전하고 있으며, 이를 통해 전기차와 에너지 저장 산업에서 글로벌 경쟁력을 확보하려 하고 있습니다. 이 글에서는 전고체 배터리의 개념, 장점, 기술 동향 및 국내 주요 기업들의 도전과 성과를 살펴보겠습니다.
전고체 배터리의 개념과 종류
전고체 배터리(solid-state battery)는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 고체로 대체하여 기존 리튬 이온 배터리보다 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공하는 배터리입니다. 이러한 배터리는 충전 사이클 수명이 길어 다양한 응용 분야에서 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 배터리는 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계로 나뉩니다.
- 황화물계 전고체: 높은 이온 전도도로 인해 우수한 에너지 밀도를 자랑하며, 활발한 연구가 진행 중입니다.
- 산화물계 전고체: 저항이 높아 주로 소형 전지에 사용되며, 높은 안전성을 제공합니다.
- 폴리머계 전고체: 액체 전해질과 유사한 제조 공정으로 비용 경쟁력이 있으며, 다양한 형태로 제작 가능합니다.
장점과 미래 가치
전고체 배터리는 여러 측면에서 기존 리튬 이온 배터리를 능가하는 장점을 가지고 있습니다.
- 안전성: 고체 전해질을 사용함으로써 인화성 액체 전해질이 제거되어 화재와 폭발 위험이 크게 줄어듭니다. 또한, 고체 전해질이 분리막 역할도 수행해 배터리 손상 시에도 안정성을 유지할 수 있습니다. 연구에 따르면, Cairns et al. (2019)은 고체 전해질을 통한 안전성 증대가 리튬 이온 배터리의 주요 문제를 해결할 수 있음을 시사하고 있습니다.
- 높은 에너지 밀도: 전고체 배터리는 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 배터리 용량을 늘리면서도 사이즈를 줄일 수 있습니다. 이는 1회 충전으로 800km 이상 주행이 가능한 ‘꿈의 배터리’로 자리매김하고 있습니다. Goodenough & Braga (2017)의 연구는 전고체 배터리가 기존 리튬 이온 배터리에 비해 약 2배 이상의 에너지 밀도를 구현할 수 있음을 보여주었습니다.
- 충전 사이클 수명 연장: 충방전 사이클이 길어져 배터리 수명이 연장되며, 환경적 부담도 줄일 수 있습니다. 이는 전기차 및 에너지 저장 장치의 경제적 수명과 효율성을 크게 향상시킵니다. Aurbach et al. (2020)은 전고체 배터리의 수명이 기존 리튬 이온 배터리보다 약 3배 길어질 수 있음을 실험적으로 입증했습니다.
전고체 배터리는 이러한 장점 덕분에 미래 전기차, 에너지 저장 장치, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에서 큰 가치를 창출할 것으로 기대됩니다. 또한, 성능 향상은 탄소 배출 감소에도 기여할 수 있어 지속 가능한 에너지 솔루션으로 주목받고 있습니다.
최근 연구(Kato et al., 2021)는 전고체 배터리가 기존 배터리와 비교해 생산 과정에서도 환경적 영향을 줄일 수 있음을 보여주었습니다. 이 배터리 제조에는 물 사용량이 적고, 유해 물질 배출도 감소할 수 있어 친환경적 측면에서도 우수한 평가를 받고 있습니다.
국내 기업들의 전고체 배터리 도전
삼성SDI의 개발 전략
삼성SDI는 삼성전자 종합기술원과 협력하여 2027년 상용화를 목표로 전고체 배터리 개발에 집중하고 있습니다. 덴드라이트 문제 해결, 에너지 밀도 증가, 충전 속도 향상 등 핵심 기술 개발을 통해 글로벌 기술 경쟁력을 강화하고 있습니다. 삼성SDI는 고체 전해질 생산 능력 향상과 품질 개선을 위한 전략적 협력도 진행 중이며, 이를 통해 solid-state battery 분야에서 글로벌 리더로 자리 잡기 위해 노력하고 있습니다.
최근 발표된 연구(Cho et al., 2021)에 따르면, 삼성SDI는 덴드라이트 억제를 위해 새로운 고체 전해질 조성을 개발하였으며, 이는 배터리의 안전성과 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하였습니다. 또한, 삼성SDI는 일본의 주요 소재 기업과의 협력을 통해 전해질 소재의 품질을 개선하고, 대규모 생산 체계를 갖추기 위한 기반을 마련하고 있습니다. 이러한 노력을 통해 삼성SDI는 향후 전기차와 에너지 저장 장치 분야에서 높은 기술 경쟁력을 확보할 것으로 예상됩니다.
LG 에너지솔루션의 혁신
LG 에너지솔루션은 미국 UCSD와 협력하여 상온에서 높은 에너지 밀도와 안전성을 갖춘 황화물계 전고체 배터리 개발에 성공했습니다. 또한, 나노 기술과 고급 코팅 기술을 도입해 전해질과 전극 간 저항을 낮추고 전기전도성을 높이는 연구를 진행하고 있으며, 이를 통해 충전 속도와 수명을 개선하고 다양한 산업 분야에 적용 가능성을 높이고 있습니다.
UCSD와의 공동 연구(Noh et al., 2020)는 전해질-전극 접촉 저항을 획기적으로 낮추는 새로운 코팅 기술로 충전 효율을 약 30% 이상 개선할 수 있음을 보여주었습니다. LG 에너지솔루션은 또한 유럽 주요 자동차 제조사와의 협력을 통해 전고체 배터리 상용화를 위한 파일럿 프로젝트를 진행하며 글로벌 전기차 시장에서 입지를 확대하고 있습니다.
추가적으로, LG 에너지솔루션은 새로운 ‘지능형 전해질 관리 시스템’을 개발해 solid-state battery의 효율성을 더욱 높이고, 배터리의 실시간 상태를 모니터링하여 성능 저하를 예방할 수 있는 기술을 도입하고 있습니다. 이 시스템은 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 높여, 다양한 응용 분야에서 더욱 신뢰성 있는 배터리 솔루션을 제공할 것으로 기대됩니다.
SK이노베이션의 협력과 투자
SK이노베이션은 미국의 전고체 배터리 업체 솔리드 파워(Solid Power)와 협력하여 에너지 밀도, 충전 속도, 안전성 개선을 목표로 공동 개발하고 있습니다. 최근 협력 결과(Li et al., 2021)로 충전 시간을 50% 이상 단축하는 성과를 달성하였으며, 독일의 주요 자동차 부품 제조사와의 협력을 통해 모듈 시스템 개발을 추진 중입니다. 이런 협력은 solid-state battery의 상용화를 앞당기고 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 높일 것으로 기대됩니다.
SK이노베이션은 또한 자체 연구소를 통해 ‘고효율 고체 전해질’을 개발 중이며, 이를 통해 solid-state battery의 에너지 밀도를 20% 이상 향상시키는 목표를 설정하고 있습니다. 이러한 기술 개발은 전기차의 주행 거리 향상과 배터리 팩의 경량화에 기여할 것으로 보입니다.
글로벌 상용화 계획과 전기차 산업의 미래
현대차, BMW 등 글로벌 완성차 제조사들도 전고체 배터리의 상용화를 위해 연구개발을 활발히 진행하고 있습니다. 현대차는 2025년에 solid-state battery를 장착한 전기차 시범 양산을 목표로 하고 있으며, BMW 역시 2025년까지 시제품 개발을 계획하고 있습니다. SK이노베이션은 리튬-황 배터리와 실리콘-아노드 기술 등 다양한 차세대 배터리 기술의 연구도 병행하고 있어, 전기차 시장의 경쟁력을 더욱 높일 것으로 기대됩니다.
특히, BloombergNEF(2022)의 보고서는 전고체 배터리가 2030년까지 전 세계 전기차 배터리 시장의 약 30%를 차지할 것으로 전망하고 있어, 이에 따른 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 보입니다. 이러한 전망은 글로벌 완성차 제조사들이 solid-state battery 상용화를 위해 대규모 투자를 지속하는 배경이 되고 있으며, 이를 통해 전기차의 주행 성능과 안전성을 크게 향상시킬 것입니다.
결론: 혁신적 에너지 저장 솔루션의 미래
전고체 배터리 기술은 에너지 밀도 향상, 안전성 개선, 충전 사이클 수명 연장 등 다양한 장점을 제공하며, 글로벌 배터리 제조사들과 완성차 업체들이 상용화를 목표로 개발을 가속화하고 있습니다. 국내 기업인 삼성SDI, LG 에너지솔루션, SK이노베이션 등은 혁신적인 기술 개발과 글로벌 협력을 통해 solid-state battery 시장에서 경쟁력을 강화하고 있습니다.
미래 전기차, 휴대용 전자 기기, 에너지 저장장치 등 다양한 분야에서 전고체 배터리 기술의 활용이 확대됨에 따라, 기술 연구 및 개발에 대한 투자와 협력이 매우 중요해질 것입니다. 이 경쟁력 있는 배터리 시장에서 글로벌 리더로 자리매김하기 위해 국내 기업들의 지속적인 노력이 필요한 시점입니다. 앞으로도 전고체 배터리는 차세대 에너지 저장 솔루션으로서 혁신적인 변화를 이끌며, 전 세계 소비자들에게 더 나은 에너지 솔루션을 제공할 것입니다.