에너지 밀도·안전성 모두 잡은 ‘전고체 배터리’ 개발 지속
정부 지원 속 한중일 기술 경쟁…표준 마련·R&D 지원 등
2027년~ 2030년 사이 전고체 배터리·소재 기술 상용화

국내 배터리 업계가 전기차 캐즘(인시적 수요둔화) 한파로 어려움을 겪고 있는 상황에서도, ‘전고체 배터리’에 대한 투자를 이어가고 있다. 현재 주력인 삼원계 배터리는 전기차, 에너지저장장치(ESS) 용도로는 충분한 성능을 갖췄지만, 로봇이나 도심항공교통(UAM) 등 신규 모빌리티 분야에 적용하기에는 에너지 밀도에서 한계가 있다. 특히, 우리나라를 비롯해 중국, 일본 등 주요 배터리·완성차 기업들이 차세대 전고체 기술 확보를 위한 연구개발에 속도를 내고 있다.

7일 관련업계에 따르면 글로벌 주요 배터리·완성차 기업을 중심으로 전고체 배터리에 대한 개발이 본격화 되고 있다.

꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리는 리튬이온전지에 사용되는 액체 전해질을 분말 형태의 고체 전해질로 대체한 차세대 전지다. 기존 액체 전해질은 가연성을 띠는 유기용매를 사용해 화재나 폭발 위험이 상존하지만, 고체 전해질을 적용할 경우 온도 변화나 외부 충격에 따른 안전성을 크게 높일 수 있다.

고체 전해질을 사용하면 높아진 안전성 만큼 외장 케이스나 냉각장치를 단순화할 수 있어 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있게 된다. 업계에서는 기존 삼원계 배터리 대비 에너지 밀도를 약 40~50%가량 높일 수 있다.

다만 전고체 배터리를 상용화하기 위해서는 액체 전해질에 비해 낮은 이온 전도성을 높여야 하는 과제가 있다. 이온 전도성이 떨어지면 내부 저항이 커 출력, 충전 등 성능이 떨어지게 된다.

전고체 배터리는 비용 부담부터 일정한 품질 생산 등의 난제에도 배터리 산업의 주도권을 뒤집을 수 있는 ‘게임 체인저’로 평가받고 있다. 배터리 업계 관계자는 “배터리를 필요로 하는 시장이 확대될수록 높은 에너지 밀도와 안전성을 동시에 확보하기 위한 전고체 배터리에 대한 수요는 증가할 것으로 전망된다”며 “어려운 업황에도 관련분야에 투자를 이어가는 배경”이라고 말했다.

배터리 주도권을 확보하기 위해 전고체 배터리에 대한 국가 단위의 지원도 이어지는 모습이다. 중국 제멘신문 등에 따르면 중국 자동차표준화기술협의회는 전고체 배터리의 표준안인 ‘전기자동차용 전고체 배터리-제1부:용어 및 분류’를 발표했다. 전고체 배터리의 표준을 세계 최초로 정의한 것이다.

표준에는 반고체에 대한 명칭을 폐지하는 등 모호하게 정의돼 있는 개념을 정리했다. 이 과정에서 시장 내 혼란을 최소화하겠다는 구상이다. 전고체 배터리 테스트에 대한 내용도 담겼는데, 배터리의 충방전 전처리 과정을 거치고 외피에 작은 구멍을 내고 배터리를 거꾸로 세워 놓고 액체가 흘러나오거나 물방울이 맺히면 즉시 전고체 배터리가 아닌 것으로 판정한다.

일본도 경제산업성의 배터리 산업 전략에 따라 2030년까지 전고체 배터리 상용화를 국가 전략 목표로 설정했다. 이에 따라 토요타, 이데미츠, 미쓰이금속, TK Works 등 4개 대형 프로젝트에 약 6억6000만 달러(1000억 엔) 규모의 정부 지원을 집행하고 있다.

특히 일본 완성차 도요타는 전고체 배터리 특허에 있어서 앞서 있는 업체 중 하나다. 약 1300여 건의 특허를 보유하고 있어 경쟁사들 대비 우위를 점하고 있다. 토요타는 오는 2027년에서 2028년 사이에 전고체 배터리를 탑재한 차량을 선보일 계획이다.

우리나라도 정부 지원을 받아 배터리 3사를 중심으로 기술 개발에 한창이다. 황화물계 전고체 배터리 기준으로 가장 먼저 상용화를 추진 중인 기업은 삼성SDI다. 에너지 밀도 900Wh/L 규모의 전고체 배터리를 오는 2027년 상용화 한다는 목표다. 삼성SDI는 수원에 위치한 파일럿 라인에서 생산된 샘플을 고객사에 공급하면서 성능 검증을 진행 중이다.

삼성SDI는 앞서 지난해 독일 BMW, 미국 배터리 소재 기업 솔리드파워와 전고체 배터리의 자동차 탑재를 위한 기술 검증 프로젝트를 공동 추진하기 위한 업무협약을 체결하기도 했다. 이들 3사는 BMW의 차세대 테스트 차량에 전고체 배터리를 탑재해 실제 성능을 검증하는 것을 최종 목표로 한다.

오는 2030년 전고체 배터리 상용화를 목표로 한 LG에너지솔루션과 달리, SK온은 목표 시점을 1년 앞당긴 2029년으로 조정했다.

SK온은 지난해 대전 미래기술원 내 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공하면서 기술 개발에 속도를 높이고 있다. 해당 파일럿 라인을 통해 고객사에 공급할 시제품을 생산하고, 제품의 품질과 성능 등을 평가·검증할 방침이다. SK온은 에너지 밀도 800Wh/L 전고체 배터리 상용화를 목표로 개발을 진행 중이다. 장기적으로는 1000Wh/L까지 달성하겠다는 방침이다.

삼성SDI 전고체 배터리 ASB. <사진=삼성SDI>

국내 배터리 소재 기업들도 전고체 배터리 밸류체인을 구축하기 위한 투자를 지속하고 있다. 전고체 배터리에 필수적인 고체 전해질부터 고에너지 밀도를 갖춘 양극재 기술 개발이 진행중이다.

우선 에코프로는 에코프로비엠을 통해 지난 2022년 고체 전해질 제조 관련 특허를 확보하는 등 기술 투자를 이어왔다. 현재 이온 전도성을 높인 고체 전해질 개발을 진행 중이다.

업계에서는 올해 중으로 고체 전해질 투자가 가시적인 성과가 나올 것으로 보고 있다. 에코프로비엠은 고체 전해질 파일럿 라인을 구축해 시험 가동 하고 있다. 기존 계획대로 진행된다면 올해 연말 대량 양산을 추진할 수 있게 된다.

포스코퓨처엠은 미국 배터리 기업과 전고체 배터리 기술 개발을 협력하고 있다. 팩토리얼에너지는 지난해 다수 소재사로부터 전고체 배터리용 양극재 샘플을 받아 테스트를 진행한 결과, 포스코퓨처엠의 소재가 타 소재보다 품질 경쟁력(출력 특성)이 우수하다고 평가해 업무협약을 체결했다.

포스코퓨처엠은 이번 협약을 계기로 단순 소재 공급을 넘어 재무적 투자까지 확대했다. 회사는 지난해 이사회 결의를 통해 팩토리얼에너지가 발행한 전환사채를 인수하며 협력의 폭을 넓혔다.

[CEO스코어데일리 / 박대한 기자 / dayhan@ceoscore.co.kr]