전고체전지는 포스트 LiB(리튬이온전지)로 부상하며 개발 경쟁이 치열해지고 있다.
전고체전지는 LiB와 달리 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 액체 전해질을 화재나 폭발 위험이 낮은 고체로 대체해 발화 리스크 없이 섭씨 100도 이상 고온에서 10년 이상 사용할 수 있을 만큼 안전성이 우수한 것이 특징이다.
에너지밀도가 높으며 기존 흑연 음극 대신 고용량 실리콘(Silicone) 또는 리튬 금속 음극을 그대로 사용할 수 있는 점도 장점으로 파악된다.

 

산업기기‧FA 분야부터 LiB 대체
LiB는 전기자동차(EV) 동력원으로 사용되며 2차전지 시장에서 주류를 이루고 있으나 전기자동차는 수년 단위로 배터리 교체가 필수적이고 교체 시 폐배터리 리사이클이 어려워 일부 자동차 관계자들은 전기자동차가 진정한 의미에서 친환경 자동차는 아니라고 주장하고 있다.
또 LiB는 스마트폰, 태블릿 등 모바일 기기에도 널리 사용되나 대부분 구매 후 2년이면 배터리 성능이 열화되는 문제가 제기되고 있다.
반면, 전고체전지는 전해질이 고체이기 때문에 증발, 동결 문제가 없고 극고온‧극저온에서도 사용이 가능하며 열화 가능성이 매우 낮아 저장과 사이클 등 수명 관련 특성이 우수한 것으로 평가된다.
이에 따라 임플란트 치료, 비접촉 진단 분야에서 사용이 기대되며 발화하지 않고 가스 발생이나 누액 우려가 없다는 특징을 살리면 의료기기용 개척이 가능할 것으로 판단된다.
자연재해, 기후변화에 대응해 하천과 화산 등을 모니터링하거나 인프라 센서로 활용할 수 있고 섭씨 영하 40도부터 영상 100도 사이에서 사용이 가능할 뿐만 아니라 수명이 10년으로 길기 때문에 노동인구 감소, 에너지 위기 등 다양한 사회적 문제 해결에 기여할 것으로 평가된다.
전고체전지는 먼저 산업기기나 공장 자동화(FA) 분야에서 사용이 기대되며 이후 기술 혁신으로 대용량화‧고출력화‧고내열화‧장수명화가 이루어질 2024-2027년경 용량 1Ah, 출력 50W, 내열온도 125도 조건을 충족시켜 자동차 모니터링, 의료기기, 태양광‧풍력 등 신재생에너지 관련이나 UPS(무정전 전원장치), 데이터센터로 용도가 넓어지고 납축전지 대체용으로 투입될 가능성이 높아지고 있다.
아울러 2030년에는 용량 10Ah, 출력 1kW, 내열온도 200도로 향상돼 전기자동차와 비행 자동차, 대형 드론(무인항공기) 등에도 탑재가 가능할 것으로 예상된다.

 

산화물계, 저출력 문제 해결 본격화
전고체전지는 고체 전해질의 종류에 따라 황화물계와 산화물계, 고분자계로 구분된다.
황화물계는 출력과 이온전도도가 높고 연성이 커 산화물계보다 먼저 상용화될 가능성이 높으나 황-수분 화학반응으로 자극적인 냄새를 동반하는 가스를 발생시키고 높은 기술 장벽과 단가 등이 과제로 지적된다.
반면, 산화물계는 유독가스가 발생하지 않고 안전성이 우수하나 황화물계 대비 출력이 낮으며 연성이 부족해 전해질과 전극 간 접촉이 쉽지 않다는 단점이 있다.
일본특수도업은 산화물계 전고체전지와 LiC(리튬이온커패시터)를 병용해 출력을 향상시키고 있다.
LiC의 높은 파워, 에너지밀도로 산화물계 전고체전지의 에너지밀도를 높이는 것으로 현재까지 LiC의 파워밀도를 24GWl, 에너지밀도 24Whl, 사이클 수명은 15만회로 향상시키고 고온 플로트 시험에서 1000시간 동안 용량을 유지할 수 있음을 확인한 것으로 알려졌다.
여기에 저온에도 강하다는 것을 규명해 LiC와 전고체전지를 병용한다면 LiB와 비슷한 수준의 출력을 낼 수 있고, 특히 보조 전력원으로 사용하면 배터리를 마지막까지 사용하게 돼 환경보호 효과를 극대화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
고분자계는 기존 양산 공정을 적용해 생산비용을 낮출 수 있고 상용화가 쉽지만 이온전도도가 낮고 저온 환경에서 성능이 저하되는 것으로 알려졌다. 
황화물계 전해질이 가장 높은 이온전도도를 보유하고 900Wh 이상의 높은 에너지밀도 구현도 가능해 가장 활발히 연구가 진행되고 있으며 삼성SDI와 일본 도요타(Toyota Motors), 중국 CATL 등은 황화물계 개발에 앞장서고 있다. 
SNE리서치에 따르면, 전고체전지는 2027년부터 양산이 시작돼 2035년경 전체 배터리 시장의 10-13%를 차지하고 글로벌 사용량은 2030년 149-160GWh, 2035년 950-1413GWh로 성장할 것으로 예상된다.

 

삼성SDI, 황화물계 중심 국내기업 “선도”
국내 배터리 3사는 황화물계를 중심으로 전고체전지 양산을 준비하고 있으나 서로 다른 시점에 상용화할 것으로 예상된다.
정부는 초격차 기술 확보를 통한 세계 최초 전고체전지 상용화를 위해 2030년까지 2차전지 산업에 민관합동으로 20조원 투자 방침을 발표했으며 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 3사는 최첨단제품을 생산하는 마더팩토리와 전고체전지 시제품 공장을 국내에 건설할 예정이다.
삼성SDI는 국내 전고체전지 시장 선두주자로 2022년 3월 경기도 수원시 삼성SDI 연구소에 6500평방미터급 황화물계 생산 자동화 라인을 착공하고 2023년 7월 샘플 생산을 시작했다.
국내 배터리 생산기업 최초로 파일럿 라인을 완공한데 이어 2025년 대형 셀 생산기술을 개발하고 2027년 본격적으로 양산을 시작하는 것을 목표로 하고 있다.
삼성SDI 파일럿 라인 건설 과정에서 전극 공정 장비는 씨아이에스·피엔티, 조립 공정은 유일에너테크·하나기술, 정수압 장비는 일신오토클레이브, 충방전 공정은 갑진, 핵심소재인 고체 전해질은 포스코JK솔리드솔루션과 에코프로비엠이 공급한 것으로 알려졌다.
안지우 삼성SDI 그룹장은 “전고체전지는 내부 연구개발(R&D)을 통해 황화물계를 개발하기로 결정했다”며 “2025년 전고체전지 관련 소재 공급망 확보 등 생산 준비를 마무리한 후 2027년부터 본격 양산에 돌입할 것”이라고 강조했다.
삼성SDI는 독자 조성의 고체 전해질 소재와 수명을 개선한 무음극 기술(Anode-less)이 특징인 황화물계 전고체전지를 개발하고 전기자동차에 적용할 예정이다.
무음극 기술은 처음 셀을 만들 때 음극이 없으나 충전 과정을 거치면서 리튬 이온이 이동해 음극층을 형성하는 기술로 나노 소재인 실버카본 음극재 기술로 이온 이동의 안정성을 높인 것으로 알려졌다.

 

LG에너지, 고분자‧황화물계 동시연구
LG에너지솔루션은 2026년 고분자계, 2030년 황화물계 배터리 상용화를 목표로 2종의 전고체전지를 동시에 연구하고 있으나 상용화 시점에는 보수적인 관점을 가진 것으로 파악된다.
장학진 LG에너지솔루션 팀장은 “전고체전지는 LiB 대비 가격경쟁력 확보가 어려워 2030년까지 상용화가 어려울 것 같다”고 강조했다.
현재 황화물계 고체 전해질의 주원료인 황화리튬(Li2S)은 글로벌 가격이 킬로그램당 1500-2000달러 수준으로 LiB 전해액 9달러에 비해 최대 200배 이상 높은 편이다.
최영민 LG화학 전무는 “전고체전지가 출시돼도 전기자동차에 바로 투입되지 않고 소형 배터리나 ESS(에너지저장장치) 등 다른 곳에 먼저 적용될 것”이라고 강조했다.
LG화학은 배터리 소재와 친환경 소재, 신약을 3대 핵심 사업으로 육성하고 있으며, 특히 배터리 소재는 매출을 2022년 4조7000억원에서 2030년 30조원으로 6배 이상 확대할 계획이다.
이미 두각을 나타내고 있는 양극재 외에 분리막, CNT(Carbon Nano Tube) 등 고부가 소재 사업을 확대하고 퓨어실리콘(Pure-Si) 음극재, 전고체용 전해질, 에어로겔(Aerogel)을 비롯한 배터리 화염 차단 소재 등 신소재 연구개발을 적극 추진할 방침이다.
LG에너지솔루션은 2022년 미국 샌디에이고대학(UCSD)과 기존에 60도 이상에서만 충전이 가능했던 기술적 한계를 넘어 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체전지 기술을 개발했다.
또 2023년 1월에는 서울대학교와 산학 공동 협력체계를 마련하고 황화물계 전고체전지 개발 등 9개의 산학협력과제를 선정한 것으로 알려졌다.

 

SK온, 미국기업 협업으로 2028년 상용화
SK온은 고분자·산화물 복합계와 황화물계 등 2종류의 전고체전지를 개발해 2024년 하반기 시제품을 개발하고 2026년 초기 단계 시제품을 생산한 후 2028년 상용화할 계획이다.
SK온 관계자는 “그동안 전고체전지 기술 확보를 위해 고분자계·산화물계·황화물계 등 고체 전해질을 독자 개발하고 미국 선두기업인 솔리드파워(Solid Power) 등과 협업했다”고 강조했다.
SK온이 CES2023에서 선보인 미국 솔리드파워의 전고체전지 시제품은 기존 LiB 대비 에너지밀도가 33% 높고 전기자동차 탑재 시 1회 충전으로 약 930킬로미터를 주행할 수 있는 것으로 알려졌다.
SK온은 2021년 10월 미국 솔리드파워에 3000만달러(약 350억원)를 투자했으며 연구개발 인프라 강화를 위해 2025년까지 대전 배터리연구원에 4700억원을 투자해 총 7만3400평방미터를 신‧증축하고 있다.
기존 설비 확장과 차세대 배터리 파일럿 플랜트, 글로벌 품질관리센터(G-VC) 건설을 진행하고 있으며 전고체전지용 소재 개발을 위한 실험 공간 및 대규모 양산기술 확보를 위한 전고체 파일럿 생산라인 등을 설치할 예정이다.
2022년 7월부터 증축한 제2충·방전동, 제2연구동, 화성동 등 연구시설은 2023년 하반기에, 2022년 12월 착공한 차세대 배터리 파일럿 플랜트는 2024년 상반기에 완공할 계획이다.

연구개발, 상용화 방해요인 제거 “총력”
국내 연구진은 전고체전지 상용화 시점을 앞당기고 방해요인을 제거하기 위해 다각도에서 연구개발을 진행하고 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터 김형철 책임연구원팀은 최근 전고체전지용 전해질을 고온 열처리 없이 상온과 상압에서 합성하는 데 성공했다.
김형철 책임연구원팀은 황화물 아지로다이트(Argyrodite) 결정화 온도를 낮추기 위해 기계 화학적 공정인 밀링을 2단으로 적용하는 신공정을 활용해 액체 전해질과 비슷한 13.23mS/cm의 이온전도도를 가진 황화물 아지로다이트를 합성한 것으로 알려졌다. 
서울대학교 화학부 임종우 교수 연구팀은 삼성미래기술육성재단과 과학기술정보통신부 지원으로 진행한 연구에서 실리콘 웨이퍼를 전고체전지 음극으로 사용해 LiB 대비 면적 용량이 최대 3배 이상 큰 전고체전지를 구현하고 상온에서 100회 이상 안정적 충‧방전에 성공했다.
전고체전지는 음극재로 사용하는 분말 형태의 실리콘이 충전과 방전을 반복할수록 팽창하면서 단일 입자와 전자가 파괴되고 배터리 열화와 수명 단축이 발생하는 단점이 상용화의 장애물로 작용하고 있다.
실리콘 웨이퍼는 부피당 밀도가 가장 높은 구조로 고에너지밀도 달성에 유리하며 전극으로 사용하면 실리콘 분말 전극과 달리 내부 공극이 없어 리튬의 이동이 용이해질 뿐만 아니라 안정적 충‧방전이 가능해지는 것으로 알려졌다.
한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 연구팀은 고가의 황화리튬과 첨가제를 사용하지 않고 고순도 고체 전해질을 생산할 수 있는 원팟(One-pot) 합성법을 개발했다.
원팟 합성법은 기존 황화리튬 기반 공정에 비해 소재 코스트가 25분의 1 수준으로 절감되고 생산 시간도 단축할 수 있는 것으로 알려졌다.

 

배터리 경량화가 전고체전지 상용화 견인
전기자동차 배터리 경량화 트렌드는 전고체전지 수요 증가를 견인할 것으로 예상된다.
전고체전지는 열, 압력 등 극한의 외부 조건에서도 정상적으로 작동해 배터리 모듈이나 팩을 제조할 때 별도의 냉각장치나 배터리관리시스템(BMS) 기능을 대폭 줄일 수 있어 전기자동차 경량화에 유리한 것으로 평가되고 있다.
미국 스텔란티스(Stellantis)는 전기자동차를 기존 내연기관 자동차에 가깝게 만들기 위해 2030년까지 배터리 무게를 50% 줄일 예정이며 최근 프랑스 토탈에너지(Total Energies) 산하 배터리 솔루션기업 Saft, 프랑스 국립과학연구센터와 4년 동안 개발한 지능형 배터리 통합 시스템(IBIS)을 공개했다.
IBIS는 배터리 모듈에 위치한 인버터와 충전기 기능을 통합함으로써 주행거리 향상, 무게 절감, 차내 공간 확보 등을 실현한 것으로 파악된다.
배터리 관계자는 “시스템과 소재에 따라 다르나 배터리 부피는 확실히 줄어들 것”이라고 강조했다.
SNE리서치는 LiB 공급이 2023년 687GWh에서 2030년 2943GWh로 4.3배 급증하며 전체 배터리 시장의 95% 이상을 차지하고 전고체전지는 공급량이 131GWh로 4% 수준을 점유할 것으로 전망하고 있다.
최근 정부까지 나서서 전고체전지 연구개발, 세제·금융 지원을 계획하고 있으나 높은 계면 저항과 전해질 두께, 입자 응집 등 기술적 문제가 많고 주요 소재가 고가의 금속으로 이루어져 원가 경쟁력 확보가 어렵다는 단점 때문에 상용화 시점은 2030년 이후일 것이라는 의견이 지배적이고 LiB가 장기간 주류를 이루며 동박, LiB 분리막(LiBS) 등 기존 공급망이 꾸준히 유지될 것으로 예상되고 있다. 
전고체전지가 충분한 시장성을 확보하기 어려울 것이라는 우려도 제기되고 있다.
LiB 평균 가격이 2010년에서 2022년까지 약 88% 낮아진 것처럼 전고체전지 상용화 시점에 LiB의 원가 경쟁력이 더욱 높아져 전고체전지의 기술적 장점이 돋보이기 어려울 수 있기 때문이다.
블룸버그(Bloomberg)는 최근 보도에서 약 480킬로미터의 주행거리를 갖춘 전기자동차도 일상적으로 사용하는데 충분한 수준이라고 평가하며 전고체전지의 장점인 긴 주행거리가 소비자 입장에서 불필요한 기술일 수 있다고 지적한 반면, 미국에서 주행하는 전기자동차가 현재 250만대에서 2027년 1700만대로 가파르게 늘어남에 따라 LiB의 배터리 시장 지배력에 변화가 생길 것이라고 전망했다.
파이낸셜타임스(FT)는 2020년대 후반 전고체전지 전환이 가속화되나 습기, 산소에 민감하고 합선 위험이 있는 문제 때문에 상용화에 상당 시간이 걸릴 것이라고 보도했다. 

 

도요타, 일본 정부 지원 아래 중국 의존 탈피
일본은 전고체전지 상용화에 총력을 기울이고 있다.
전고체전지를 탄소중립과 고령화 대책으로 주목하고 배터리 생산기업 뿐만 아니라 자동차, 부품, 소재‧화학 분야 관련기업들과 중앙정부‧지방자치단체들이 연구개발 및 실증실험을 본격화하고 있으며 발화 가능성이 없어 항공수송이 가능하다는 점에서 한국과 타이완에 밀리고 있는 전자산업을 재부흥시킬 핵심 소재로 기대하고 있다.
도요타(Toyota)는 2023년 9월19일 생산기술 설명회를 열고 전고체전지 개발 라인, 대형 주조 설비 시제품인 기가캐스트, 고효율 양산 기술을 공개했다.
기가캐스트는 대형 차체 부품을 알루미늄으로 일체 성형하는 설비로 테슬라(Tesla)가 실용화한 기술을 도입했으나 독자적인 디지털 분석 기술로 불량품 발생을 억제해 작업 낭비를 줄이고 생산성을 경쟁기업 대비 20% 향상한 것으로 알려졌다.
또 일본 전통의 가라쿠리 기법을 자동차 제조에 적용해 소재에 손상을 주지 않고 고속‧고정밀도로 배터리 소재를 적층할 수 있게 된 것으로 파악된다.
도요타가 개발하고 있는 전고체전지는 기존 LiB 대비 성능이 크게 향상돼 충전 시간이 10분 이내로 단축되고 주행거리는 LiB의 2.4배인 1200킬로미터에 달할 것으로 예상되며 2027년 상용화를 목표로 하고 있다.
도요타는 2008년 차세대 배터리 연구소를 건설했으며 2022년 7월 기준 1300건 이상의 전고체전지 특허를 보유하고 있는 등 글로벌 전고체전지 연구에서 가장 앞서 있다. 
도요타는 일본 정부로부터 중국 공급망에 대한 의존도를 낮추고 전기자동차 배터리 생산을 확대하기 위해 약 8억5300만달러의 보조금을 받을 예정이다.
일본 정부는 CATL 등 중국 배터리 생산기업이 글로벌 자동차 배터리 공급의 절반 이상을 통제함에 따라 일본기업의 시장점유율 확대를 위해 대규모로 지원하고 있으며 도요타는 생산량을 2026년 150만대에서 2030년 350만대로 늘리고 하이브리드자동차와 수소자동차에 대한 투자도 지속할 계획이다.

 

일본, 이르면 2025년 상용화한다!
일본에서는 맥셀(Maxell)이 황화물계 전고체전지를 소형 세라믹 패키지형으로 2023년 양산하고, 도요타는 전기자동차 동력원 용도로 투입하기 위해 연구개발을 진행하고 있어 2025-2030년경 상용화가 가능할 것으로 예상된다.
산화물계는 안전성이 우수하지만 출력이 낮아 무라타(Murata Manufacturing), TDK, FDK, 다이요유전(Taiyo Yuden), 일본특수도업(NGK Spark Plug) 등이 개발하고 있으나 단기간에 시장 형성을 기대하기에는 시기상조인 것으로 파악된다.
다만, 산화물계의 출력을 높이기 위해 적층 세라믹 컨덴서(MLCC)를 활용해 면적을 늘리고 출력 향상을 개선하는 방법이 주목되며 무라타와 TDK, 다이요유전 등이 적용하고 있다.
전고체전지 소재는 전고체전지 시장 형성에 앞서 다른 영역부터 투입될 것으로 판단된다.
일본특수도업은 전고체전지용으로 개발한 고체 전해질을 이미 확고하게 시장이 형성된 LiB용으로 투입함으로써 전고체전지 상용화 시기와 관계 없이 고체 전해질을 수익원으로 육성할 계획이다.
먼저, 반도체 제조장치용 정전차크 분야에서 축적한 기술을 활용해 고체 전해질 시트를 만들고 기존 LiB 분리막(LiBS)을 대체하는 방안을 검토하고 있다.
LLZ(Lithium Lanthanum Zirconate) 산화물계 고체 전해질은 높은 리튬 이온 전도율과 리튬에 대한 안정성을 갖추고 있으며 분말로 만든 다음 시트 형태로 가공해 분리막으로 투입하면 LiB의 출력 성능과 에너지밀도 향상이 가능할 것으로 예상된다.
이온 전도율이 없는 수지제 LiBS의 단점을 극복하고자 하는 시도로 이미 일부 LiB 생산기업에게 샘플을 공급한 것으로 알려졌다.
전고체전지 용도로는 유독가스가 발생하지 않는 산화물계의 특징을 활용해 우주 관련 용도를 개척하고 있으며 넓은 사용온도범위 특성도 우주 개발에 도움이 될 것으로 전망하고 있다.

 

맥셀, 산업 로봇용 1차전지 대체부터 시작…
맥셀은 전고체전지 상용화를 주도하고 있으며 2023년 양산을 목표로 교토(Kyoto)에 생산설비를 도입했다.
황화물계부터 양산할 예정이며 이미 공장 자동화(FA)와 인프라 분야에서 다수의 수요기업을 확보한 것으로 파악되고 있다.
현재 동전이나 바이폴라형 전고체전지 샘플을 개발하고 있으나 금속끼리 완전하게 용접돼 완벽한 밀폐상태를 실현한 세라믹 패키지형부터 양산할 방침이다.
산화물계로 우주 분야를 공략할 예정인 가운데 황화물계 역시 우주에서 사용할 수 있는 밀폐성을 갖추고 있다는 점을 주목하고 있다.
100도 이상 고온에서 사용할 수 있어 산업용 로봇 모터에 직접 부착 가능한 것도 장점으로 알려졌다.
산업용 로봇과 공장 자동화기기 백업 용도는 1차전지를 사용했고 고온 부분에 배터리를 직접 부착할 수 없어 하네스를 거치거나 로봇 발 부분에 배터리를 두는 것이 일반적인 사용례였다.
또 서보모터, 인코더, 하네스, 배터리는 1-3년마다 교환해야 하는 부담이 있다.
그러나 전고체전지로 대체하면 반복 사용이 가능해 교환할 필요가 없고 모터 부분에 직접 부착할 수 있어 하네스도 생략할 수 있으며 실질적으로 유지보수를 생략하는 것이나 마찬가지여서 사용자 편의성이 높아지는 효과가 있을 것으로 기대된다.
맥셀은 전고체전지 충전에 소요되는 수고를 줄이기 위해 에너지 하베스팅에 주목하고 있다.
에너지 하베스팅은 빛, 바람, 온도 등의 미세한 차이를 에너지로 이용해 발전하고 충전까지 실시하는 기술로 맥셀은 전고체전지와 태양전지를 조합한 샘플을 개발했다.
실내광으로도 발전이 가능하고 영구적 충전을 실현해 용도 확대는 물론 전고체전지 시장 확장에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
맥셀은 전고체전지 사업 매출을 2030년까지 300억엔으로 확대하기 위해서는 공장 자동화와 인프라 분야 뿐만 아니라 용도 확대가 반드시 필요하다고 판단하고 있다.
지속적인 충전 시스템을 확립함으로써 높은 곳에 설치된 설비나 화학 플랜트 등 거대 건축물 감시, 사막지대의 원유‧가스 파이프라인 감시용으로 사용이 가능하고 무선통신 모듈을 병용한다면 고온에서 저온까지 넓은 온도범위에서 장시간 구동하는 유지보수 프리 센서 시스템도 구축할 수 있을 것으로 기대하고 있다. (김진희 기자: kjh@chemlocus.com)