'불 안 나는 배터리' 전고체 배터리에 글로벌 기업들 사활

[이코노믹데일리] ※전자사전은 복잡하고 어렵게만 느껴지는 '전자'분야의 최신 기술과 산업 이슈를 쉽게 풀어드리는 코너입니다. 뉴스에선 자주 등장하지만 정작 이해하기 어려웠던 이야기들을 매주 하나의 핵심 주제로 선정해 딱딱한 전문 용어 대신 알기 쉬운 언어로 정리합니다. <편집자주>

전기차 시장이 빠르게 커지면서 글로벌 배터리 업계에서는 '다음 세대 게임 체인저'로 불리는 기술인 전고체 배터리(Solid-State Battery)가 주목받고 있다. 이는 배터리 속 액체를 고체로 바꾸는 기술이다.

7일 업계에 따르면 삼성SDI·LG에너지솔루션·토요타·퀀텀스케이프 등 글로벌 기업들이 전고체 시대를 선언하면서 투자자뿐 아니라 소비자들의 관심도 커지고 있다. 하지만 기대와 달리 아직 어느 회사도 대규모 상용화에 성공한 곳은 없는 상황이다. 

현재 대부분의 전기차에는 리튬 이온 배터리가 들어간다. 내부에는 리튬 이온이 움직일 수 있도록 액체 전해질이 채워져 있다. 액체 전해질에는 리튬염이 리튬 이온을 운반하고 유기 용매가 리튬염을 녹여 이동할 수 있는 역할을 한다. 문제는 이 액체가 인화성이라는 점이다. 

보통 전기차 배터리에 불이 붙는 과정은 배터리가 과충전되거나 외부 충격을 받아 단락이 생긴다. 이 단락으로 인해 배터리 내부 온도가 급격하게 상승하며 고온에서 인화성이 강한 액체 전해질이 기화되며 가열성 가스를 다량 배출한다. 이 가스가 고온에서 발화하고나 폭발하며 화재로 이어지게 된다.

전고체 배터리는 여기서 액체를 고체 전해질(세라믹·폴리머 등)로 대체한다. 해당 고체는 잘 타지 않아 화재·폭발 위험이 대폭 낮아진다.

전고체 배터리가 주목받는 이유는 안전성뿐만이 아니다. 고체 전해질을 쓰면 구조가 단순해지고 고에너지 소재를 쓸 수 있어 현재 전기차 주행거리보다 20~50% 이상 늘어나게 된다. 또한 영하·고온 등 극한 환경에서도 성능 저하가 적어, 계절에 따른 주행거리 차이도 줄어든다.

다만 자동차용 전고체는 아직 누구도 상용화하지 못한 데에는 여러 기술적 난제가 존재한다. 고체는 액체보다 이온이 느리게 움직여 충전 속도가 떨어진다는 점이다. 또한 액체 대신 단단한 고체끼리 맞붙다 보니 이음새에서 저항이 발생하며 개발사들이 가장 어려워하는 지점이다.

이 가운데 국내 배터리 업체는 개발 가속화와 함께 양산 목표를 내놨다. 삼성SDI는 2027년 양산을 목표로 수원 파일럿 라인 가동했으며 BMW 등에 샘플 공급하며 검증 단계 진입했다. LG에너지솔루션은 2030년을 목표로 고체 전해질·리튬 메탈 기술 병행 개발하고 있다. SK온도 2029년 전후로 양산할 예정이다.

SK이노베이션은 앞서 2021년부터 전고체 배터리 기술 선도기업인 미국 솔리드파워에 약 353억원을 투자하고 공동으로 개발했으며 시험 생산라인을 갖추고 전고체 배터리 시제품과 고체 전해질을 생산한 바 있다. 또한 미국 조지아 공대, 대전 배터리연구원 등과도 협력을 진행했다.

LG에너지솔루션은 지난해 중장기 전략 발표에서 전고체 전지의 경우 리튬 음극을 뺀 무음극 제품과 흑연계 음극 제품 생산으로 시장을 선도할 예정이라고 밝힌 바 있다. 또한 포항공과대학교, 성균과대학교와 공동연구를 통해 영하 20도의 환경에서도 100회 사이클 후 약 87%의 용량을 유지하고 열폭주를 약 90% 이상 억제할 수 있는 전해질 개발에 성공하기도 했다.

삼성SDI는 최근 BMW, 솔리드파워와 전고체 배터리의 자동차 탑재를 위한 기술 검증 프로젝트를 공동 추진하기로 협약했다. 지난 2023년부터 전고체 파일럿 라인을 수원 SDI연구소에 구축한 뒤 시제품 생산에 돌입해 현재 여러 고객사에 샘플을 공급하고 테스트를 진행 중이다. 

글로벌 업체들도 차세대 배터리에 사활을 걸고 있다. 일본의 토요타는 가장 오래 연구한 기업으로 2027년 양산을 공언하며 차세대 하이브리드·EV에 적용을 추진 중이다. 중국의 CATL·BYD 또한 2027~2028년 양산 목표를 전면에 내세워 공격적으로 개발 중이다.