전고체 배터리

'꿈의 2차전지' 전고체 배터리…해뜰날 다가온다

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전고체 배터리 개발 경쟁 본격화

상용화 10년 뒤라지만…'선점 경쟁 각축'

차세대 전기차 배터리로 꼽히는 '전고체 배터리'(All-Solid-State Battery, 全固體) 상용화 시기가 조금씩 다가오고 있다. 일본 완성차 도요타가 최근 전고체 배터리를 탑재한 시제품 차량을 공개했고, LG에너지솔루션은 개선된 기술을 선보였다.

전고체 배터리는 양극과 음극 사이 액체 전해질을 고체 물질로 대체한 것. 리튬이온 배터리에 필요한 전해액과 분리막을 없애고, 더 에너지 밀도가 높은 물질을 넣은 2차전지다. 효율과 안전성을 모두 높일 수 있어 지금의 리튬이온 배터리를 대체할 것으로 기대된다. 전고체 배터리가 시장성을 확보할 시기는 아직 가깝지 않다는 전망이 우세하지만 기술 경쟁은 점점 치열해지고 있다.

/그래픽=유상연 기자 prtsy201@

고개 드는 전고체 배터리 

LG에너지솔루션은 지난달 24일 미국 샌디에이고대와 공동 연구로 개발한 장수명 전고체 배터리 기술이 과학저널 '사이언스'에 게재됐다고 밝혔다. 이 기술을 적용하면 기존에는 60도 이상에서만 충전이 가능했던 기술적 한계를 넘어 상온(25도)에서도 충전이 가능하다. 충방전 수명도 500회 이상이 된다는 설명이다.

이 회사 관계자는 "500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80% 이상의 잔존 용량을 유지한다"며 "현재 상용화된 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도도 약 40% 높이는 것이 가능하다"고 강조했다.

토요타의 경우 지난달 7일 전고체 배터리를 장착한 시제품 형태의 전기차를 세계 최초로 공개하면서 세계 관련 업계의 주목을 받았다.

이 제품은 2025년 무렵 시장에 나올 전망이고, 순수 전기차가 아닌 하이브리드 전기차에 장착될 예정이다. 하지만 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 점에서 의미가 적잖다. 토요타는 이와 함께 오는 2030년까지 약 16조원을 전기차 배터리 생산과 개발에 투자하겠단 계획도 발표했다.

특히 토요타는 전고체 관련 기술력이 세계에서 가장 앞서는 것으로 알려졌다. 산업연구원에 따르면 전고체 배터리 특허출원 건수(2011~2020년)는 전세계 10위권에 일본기업이 6곳이나 포진했다. 이 중 토요타가 901건으로 가장 많다. 리튬이온 배터리 시장을 한국과 중국 기업에 장악당한 일본 기업들이 전고체 배터리 시장만큼은 빼앗기지 않기 위해 기술 개발에 매진한 결과다.

한국 기업은 3곳으로 일본 다음으로 많다. 삼성전자(184건), LG화학(132건), 현대차(119건) 등이다.

갈 길 멀지만…미래시장 선점 '각축'

시장은 전고체 배터리 시장을 장기적 관점에서 보고 있다. 시장조사기관 SNE리서치는 전고체 배터리의 기존 시장 침투율이 2025년 1.2%에서 2030년 3.8% 수준일 것으로 예측했다. 가격이 비싸다는 문제점을 안고 있어 시장 침투가 단기적으로는 어렵다는 설명이다. 

NH투자증권도 전고체 시장 규모를 오는 2025년 15기가와트시(GWh)에서 오는 2030년 121GWh로 성장할 것으로 예상하면서도 기존 시장을 대체하기까진 많은 시간이 필요할 것으로 판단했다.

SK이노베이션의 배터리 분리막 부문 자회사인 SK아이이테크놀로지(SK IET) 역시 전고체 배터리 시장의 개화를 대략 10년 이후로 보고 있다. 노재석 SK IET 대표는 지난 4월 기업공개(IPO) 간담회에서 "전고체 배터리가 상용화되고 대량 생산이 되기 위해서는 빨라야 2030년 이후라고 생각한다"고 말했다.

SK IET가 생산하는 분리막은 전고체 배터리에서는 불필요하거나 다른 소재로 대체될 수 있어서 전고체 배터리의 조기 상용화는 이 회사로선 큰 위협이다. 노 대표는 "상용화가 되더라도 제조원가의 경쟁률이 떨어져 비싸고, 리튬이온 배터리와 전고체가 상당 기간 공존할 것"이라고 말했다.

삼성전자 종합기술원 차세대 전고체전지 기술 개요/자료=삼성전자 제공, 편집=비즈니스워치

그런데도 업계가 전고체 배터리 기술 개발을 멈추지 않는 것은 전기차 시장의 안정적, 장기적 성장을 위해선 배터리 기술의 고도화가 필수적이어서다. 업계 관계자는 "전기차가 확실한 대세가 되려면 안전성뿐만 아니라 핵심 부품인 배터리의 에너지 밀도를 증가시키는 것이 가장 중요하다"고 설명했다.

삼성SDI의 경우 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력해 전고체 배터리 기술을 개발 중이다. 오는 2027년 이후 상용화가 목표다. 이 회사의 최대주주인 삼성전자는 주행거리 800km, 1000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구 결과를 공개해 '네이처 에너지'에 게재하기도 했다.▷관련기사: 삼성전자, '크기½, 거리×2' 車배터리 기술 공개(2020년 3월10일)

독일 폭스바겐, BMW, 현대차, 미국 제너럴모터스(GM) 등 글로벌 완성차 업체들도 2025~2030년 사이 시범 생산 혹은 양산에 나서겠다고 밝힌 바 있다.

현대차와 SK㈜의 경우 미국 '솔리드에너지시스템'에 각각 약 1100억원, 700억원을 투자했다. 솔리드에너지는 리튬메탈 배터리 시제품 개발에 성공, 상업화에 가장 근접한 차세대 배터리 개발사로 평가된다. 고체보다 구현이 쉬운 액체 전해질과 고체 코팅을 조합한 하이브리드 배터리로 차세대 배터리 시장에서 우위를 점한다는 게 솔리드에너지의 계획이다.