‘전고체 배터리’는 기존 리튬이온 배터리에 들어가는 전해액을 고체로 대체한 배터리다. 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되고, 일련의 과정을 거쳐 전기를 발생시키는데 현재 쓰이는 전해질은 액체다.
전고체 배터리는 낮은 충전량과 제조공정 및 양산화의 어려움, 높은 단가 등으로 상용화까지 풀어야 할 과제가 많다. 특히, 양극과 음극, 도전재와의 계면 불안정성(입자 간 경계에서의 높은 저항) 해결은 핵심 과제다. 그런데도 차세대 배터리로 전고체가 주목받는 이유는 ‘안전성’과 ‘배터리 용량’ 때문이다. 리튬이온 배터리는 화재 위험성과 부족한 배터리 용량이 단점이다.
전고체 배터리는 구조적으로 안정적이다. 양극과 음극이 고체로 가로막혀 화재 발생 가능성이 작고, 온도 변화에 따른 증발이나 누액 우려도 적다. 또한 낮은 온도에 주행거리가 줄어들지 않고, 다양한 형태로 변형도 가능하다.
큰 배터리 용량도 장점이다. 전고체 배터리는 분리막이 빠지면서 음극과 양극이 결합한 바이폴라 전극을 제조할 수 있는데 이를 통해 셀 부피를 대폭 줄이고, 공간 대비 많은 에너지를 낼 수 있다. 충전 속도는 기존 배터리보다 빠르다.
전고체 배터리는 사용하는 고체 전해질 성분에 따라 황화물계, 산화물계, 고분자계(폴리머)로 구분된다. 이중 상용화 가능성이 높은 것은 황화물계다. LG에너지솔루션·SK온·삼성SDI 등 국내 배터리 3사가 황화물계 전고체 연구에 힘을 쏟고 있다.
전고체 배터리 기술력이 가장 앞선 건 일본이다. 전해질 소재 특허 다수를 일본 기업들이 보유하고 있다. 일본의 완성차업체 도요타가 가장 많은 특허를 출원했다.
일본보다는 늦었지만, 국내 배터리 3사도 차세대 배터리 시장 경쟁 우위를 위해 연구 개발에 집중하고 있다. 각 사마다 자체 기술 연구와 함께 전고체 스타트업 투자를 병행하고 있다. 상용화 시점은 오는 2027년 전후로 목표하고 있다.
국내서는 삼성SDI가 가장 앞섰다. 지난해 3월 1회 충전으로 주행거리 800㎞, 1000회 이상 충전이 가능한 전고체 배터리를 개발해 국제 학술지 ‘네이처 에너지’에 연구 결과를 공개했고, 2027년 상용화가 목표다.
LG엔솔은 미국 샌디에이고대와 전고체 배터리를 상온에서 고속 충전이 가능하도록 한 기술을 개발했고, SK온의 모기업인 SK이노베이션은 지난달 미국 솔리드파워에 3000만 달러(약 350억원)를 투자했다.
황인성 기자 his1104@kukinews.com
