차세대 배터리 기술: 전고체 배터리 개발 현황

전고체 배터리 개요

전고체 배터리(All-Solid-State Battery, ASSB)는 기존 리튬이온 배터리에서 사용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 차세대 배터리 기술이다. 높은 에너지 밀도, 안정성, 긴 수명 등의 강점을 바탕으로 전기차(EV), 에너지 저장 시스템(ESS), 항공우주 산업 등 다양한 분야에서 핵심 전력원으로 주목받고 있다.

특히 리튬이온 배터리의 폭발과 발화 위험을 해결할 수 있는 근본적인 기술로 평가되며, 글로벌 주요 배터리 기업 및 자동차 제조사들이 상용화를 목표로 연구개발에 집중하고 있다.

전고체 배터리의 기술적 특성 및 장점

1. 고에너지 밀도
   • 전고체 배터리는 리튬 메탈을 음극재로 사용할 수 있어 기존 리튬이온 배터리 대비 2배 이상의 에너지 밀도를 제공한다.
2. 높은 안전성
   • 인화성이 높은 액체 전해질 대신 비가연성 고체 전해질을 사용함으로써 열폭주 및 화재 위험이 거의 없다.
3. 긴 수명과 안정성
   • 충전과 방전을 반복해도 전해질의 열화가 적어 수명이 길며, 고온 및 저온 환경에서도 안정적인 성능을 유지한다.
4. 소형화와 경량화 가능
   • 구조가 단순해지고 냉각 시스템의 필요성이 감소하여, 배터리 팩의 소형화와 경량화를 실현할 수 있다.

글로벌 기업들의 전고체 배터리 개발 동향

토요타(Toyota)

• 현재 상황: 2023년부터 전고체 배터리 기반 전기차 시제품을 공개했으며, 2027~2028년 상용화를 목표로 하고 있다.
• 기술 특성: 1회 충전으로 최대 1,200km 주행이 가능하며, 충전 시간은 10분 미만으로 단축될 전망이다.
• 투자 및 파트너십: 파나소닉과 공동 개발을 진행 중이며, 전고체 전해질의 대량 생산 기술 확보에 집중하고 있다.

삼성SDI

• 현재 상황: 2024년 수원 연구소에서 전고체 배터리 샘플 라인을 가동 중이며, 2027년 상용화를 계획하고 있다.
• 기술 특성: 니켈 함량을 높인 하이니켈 양극재와 리튬메탈 음극을 사용해 에너지 밀도를 900Wh/L 수준까지 끌어올림.
• 추진 전략: 양산 기술 확보와 함께 초기에는 프리미엄 전기차 및 항공용 전원 시장을 타깃으로 설정.

LG에너지솔루션

• 현재 상황: 2025년까지 전고체 배터리 시제품을 개발 완료하고, 2030년 상용화를 목표로 하고 있다.
• 기술 특성: 산화물계 고체 전해질을 적용하며, 주행거리 1,000km 이상의 전기차를 실현할 수 있는 배터리 기술을 개발 중.
• 협업: 일본의 도레이와 협력하여 고체 전해질 소재 안정성을 강화하고 있다.

CATL (중국)

• 현재 상황: 2025년 전고체 배터리 상용화를 발표했으며, 2023년에는 하이브리드 전고체 배터리를 공개.
• 기술 특성: 전고체 배터리와 액체 전해질의 혼합형으로 안정성과 에너지 밀도를 동시에 확보.
• 시장 전략: 중국 내 전기차 기업과 협업 확대 중이며, 고성능 전기차 중심으로 공급 예정.

전고체 배터리 기술의 주요 과제

1. 고체 전해질 소재 문제
   • 황화물계 전해질은 이온 전도도가 뛰어나지만 수분 반응성이 강하고 독성 가스 발생 우려가 있다.
   • 산화물계 전해질은 안정성이 뛰어나지만 제조 비용과 접촉 저항 문제로 상용화가 어려움.
   • 폴리머계 전해질은 저온에서 이온 전도도가 낮아 성능 한계가 존재.
2. 인터페이스 저항 문제
   • 전극과 고체 전해질 간의 계면 접촉 저항을 줄이는 기술이 필요하다.
   • 접합 기술, 고체 전해질의 유연성 향상이 핵심 과제로 부각되고 있다.
3. 제조 공정 및 대량 생산
   • 기존 리튬이온 배터리와는 다른 공정이 필요하여, 생산 비용 절감과 수율 향상이 필수적이다.
   • 고체 전해질 대량 생산 및 품질 관리가 상용화의 결정적 요소다.

한국의 전고체 배터리 기술 개발 및 정부 지원

한국 정부는 2025년까지 1조 원 규모의 전고체 배터리 산업 육성 계획을 발표했다. 주요 내용은 다음과 같다.

• 핵심 소재 및 부품 국산화율 80% 달성 목표.
• 전고체 배터리 인프라 구축과 시험평가센터 운영.
• 국내 배터리 3사(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온)와 협업하여 양산 로드맵 지원.

향후 전망 및 상용화 일정

기업 시제품 공개 상용화 예상 주요 특성 및 타깃 시장

토요타	2023	2027~2028	주행거리 1,200km, 초고속 충전
삼성SDI	2024	2027	900Wh/L, 프리미엄 EV, 항공용
LG에너지솔루션	2025	2030	1,000km EV, 산화물계 전해질
CATL	2023	2025	하이브리드형, 중국 전기차 시장

전고체 배터리 상용화는 기술적 난제를 해결하는 동시에, 각국 정부의 정책적 지원과 함께 빠르게 진행되고 있다. 특히 2025년을 전후로 시제품이 다수 등장하며, 2030년대 초반에는 상용화가 본격화될 것으로 보인다.

결론

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 한계를 넘어서는 차세대 에너지 저장 기술로, 전기차 산업의 패러다임 전환을 이끌고 있다. 안정성, 에너지 밀도, 지속 가능성 측면에서 압도적인 강점을 갖추고 있으며, 앞으로 스마트 모빌리티와 에너지 시장의 핵심 축으로 자리 잡을 것이다.