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[궁금한 THE 이야기] ⑤ 한계를 뛰어넘는 차세대 혁신! ‘전고체 배터리’

궁금한 THE 이야기 '이차전지'편 제5장 한계를 뛰어넘는 차세대 혁신! '전고체배터리' 라고 쓰인 이미지박스이다.

모든 사물이 배터리로 움직이는 사물배터리(BoT) 시대가 도래했다. IT 산업을 시작으로 ESS, 전기자동차까지
그 영역을 빠르게 넓혀가고 있는 배터리 시장은 탄소중립 사회로의 전환을 통해 더욱 빠르게 성장하고 있다.
미래 에너지 산업의 핵심이 되는 2차전지에 대한 모든 궁금증을 <궁금한 THE 이야기> 연재를 통해 자세히 풀어낸다.

l 에너지 대전환 시대, 핵심은 ‘배터리’

세계는 화석 연료 중심에서 재생에너지 중심으로 ‘대전환’이 일어나고 있다. 시대적 전환의 동력이 되고 있는 기후위기 극복을 위해 주요 국가에서 다양한 혁신기술을 개발하고 있다. 이때 우리 생활에 긍정적인 영향을 미칠 유망분야 중 하나로 꼽히는 것이 바로 배터리 기술이다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 배터리는 리튬이온전지이다. 리튬이온전지의 성능은 새로운 전자제품과 전기차에 대한 폭발적인 수요에 힘입어 끊임없는 기술개발로 향상되었다. 배터리의 성능이 좋다는 것은 에너지 밀도가 높은 것을 뜻한다. 리튬이온배터리의 초기 에너지 밀도는 200Wh/L, 80Wh/kg 수준이었고, 지금까지 3배가량 증가했다. 실제로 2011년 전 세계에서 가장 많이 팔렸던 전기차인 닛산 리프는 1회 충전 시 120Km 정도 주행이 가능했는데, 에너지 밀도가 높아진 덕분에 최근 출시된 모델은 500Km 수준에 달한다.
*에너지 밀도 : 단위 부피 또는 단위 무게 당 가지고 있는 에너지의 양을 말한다. 즉, 에너지 밀도가 높다면 같은 에너지를 가지고 있다 하더라도 부피가 작거나 무게를 적게 만들 수 있다.

전기차 배터리 에너지 밀도의 변화라고 쓰인 제목 아래 그래프가 그려져 있다. 세로축은 50 간격의 에너지밀도(Wh/kg)를 나타내고, 가로축은 2006년부터 2022년까지 연도가 쓰여져 있다. 해가 늘어갈수록 에너지밀도가 높아지는 양상을 보여주는 것으로 오른쪽에 각각의 원이 가리키는 양극소재가 쓰여져 있다. 하늘색 원은 LCO, 회색 원은 LMO, 노란색 원은 LMO/LNO, 파란색 원은 NCA, 주황색 원은 NCA+, 빨간색 원은 NMC(111), 초록색 원은 NMC(622), 남색 원은 NMC(811)이라고 쓰여있다.

하지만 높은 에너지 밀도는 그만큼 화재나 폭발 위험성을 가지고 있다. 독일보험협회 산하 화재예방 연구소인 VDS의 ‘S+S Report International’에 따르면 리튬이온배터리는 기계적 손상, 과방전, 과충전으로 인해 전기적 결함, 내부과열, 외부로부터 이차적 열 방출 등이 발생해 폭발반응이 일어날 수 있다고 말한다.

l 전고체 배터리가 ‘꿈의 배터리’인 이유

리튬이온-전고체 배터리의 구조 비교 라는 제목아래 각 배터리의 차이점을 말해주고 있다. 왼쪽의 리튬이온 배터리 모형이 그려져 있으며 빨간 부분은 양극이 있는 양극재, 회색 부분은 액체전해질, 점선은 분리막, 하늘색 부분은 음극이 있는 음극재를 가리킨다. 오른쪽의 전고체 배터리 모형이 그려져 있으며 빨간 부분은 양극이 있는 양극재, 노란색 부분은 고체전해질, 하늘색 부분은 음극이 있는 음극재를 가리킨다. 액체전해질은 리튬이온이 양극과 음극을 오가는 통로를 말하며, 분리막은 양극과 음극이 닿지 않게 하며, 리튬이온만 통과하는 역할을 하며 고체전해질은 전해질과 분리막 역할을 동시에 한다. 그 아래 비교 표가 있다. 리튬이온배터리의 양극재는 고체(리튬, 니켈, 망간, 코발트 등) / 음극재는 고체(흑연, 실리콘 등) / 전해질은 액체 / 분리막은 고체 필름이다. 전고체 배터리의 양극재는 고체(리튬, 니켈, 망간, 코발트 등) / 음극재는 고체(리튬 금속, 흑연, 실리콘 등) / 전해질은 고체(황화물, 산화물, 폴리머) / 분리막은 불필요하다.

이러한 위험을 차단하기 위해 고체전해질이 새로운 차세대 배터리 기술로 떠오르고 있다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지를 말한다. 전고체 배터리의 메가트렌드(megatrends)는 ‘우수한 안전성’, ‘높은 에너지 밀도’, ‘고출력’, ‘넓은 사용온도’, ‘단순한 전지 구조’라 말할 수 있다. 그렇기 때문에 폭발의 위험에서도 자유롭고, 또 고체전해질은 0℃ 이하의 저온이나 60~100℃ 고온에서 액체전해질보다 전도 성능이 향상된다는 장점이 있다.

전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않아 관련 부품 수를 줄일 수 있다. 이에 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 제격이 된다. 즉, 전지의 고용량화, 소형화, 얇은 필름과 같은 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 다양하게 활용이 가능한 차세대 유망 기술로서 현재 다양한 고체전해질 물질의 개발이 빠르게 진행되고 있다.

전고체 배터리의 장점을 다루고 있다. 왼쪽부터 시계방향으로 우수한 안전성, 온도 변화에 따른 증발이나 외부 충격에 따른 누액 위험 없음 / 높은 에너지 밀도, 냉각 및 안전 부자내 줄일 수 있어 배터리 팩의 에너지밀도 향상 / 높은 출력, 충전 및 방전이 고체 내 리튬이온 확산으로 즉각 반영 / 외부 온도에 상관없는 안정적 성능, 액체 전해질을 사용하지 않아 한겨울 등 정노에서 높은 이온전도도 가능 이라고 쓰여져 있다

고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지 종류로 나눌 수 있다. 먼저, 산화물계는 저항이 높아 충전 속도가 빨라야 하는 전기차용으로는 적합하지 않고 소형전지에 주로 적용된다. 폴리머계 전해질은 기존 액체전해질 기술과 유사하고 제조 공정도 비슷해 비용 경쟁력을 갖추고 있다. 이 중에서 기술적으로 가장 앞서가고 있는 분야는 황화물계다. 황화물계 전해질이 가장 높은 이온전도도를 보유하고 900Wh/L 이상의 높은 에너지 밀도로 구현할 수 있어 우수한 셀 성능으로 평가돼 활발한 연구가 진행되고 있다.

l 전고체 배터리 기술적 걸림돌

전고체 배터리가 리튬이온배터리의 최대 약점인 안전성을 개선할 유망 기술임은 확실하지만, 상용화하는 데 있어 아직 해결해야 할 숙제가 많다.

전해질의 본질적인 기능은 ‘리튬 이온의 이동수단’이다. 안정성도 중요하지만, 무엇보다 리튬이온이 원활하게 이동하도록 ‘이온전도도’가 높아야 한다. 하지만 전해질이 고체인 관계로 전극과 전해질의 밀착성이 떨어져 불연속 계면을 형성한다. 이렇게 되면 배터리 성능을 저하시키는 내부의 저항이 증가하게 한다. 따라서, 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서의 저항을 최소화해야 하는 기술적 과제를 해결해야 하는 상황이다.

또 고체전해질은 액체 전해질보다 상온(15~25℃)에서는 이온전도도가 낮은 특성이 있다. 그 때문에 상온에서 작동이 필요한 스마트폰과 같은 IT기기에 적용하기 쉽지 않다. 따라서 상용화가 되면 주변 온도 제어가 가능한 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 분야에 우선 적용될 것으로 바라보고 있다.

l ‘꿈의 배터리’ 향한 K-배터리 3사의 치열한 경쟁

급속도로 커지고 있는 배터리 시장 내 전고체 배터리 기술은 연구개발 초기단계지만, 향후 전기차 시장의 ‘게임 체인저’로 기대하고 있다. 한국과학기술정보원구원(KIST) ASTI 마켓 인사이트에 따르면, 세계 전고체 배터리 시장규모는 2020년 약 6,160만 달러에서 연평균 34.2%의 높을 성장률을 나타내 2027년 약 4억 8.250만 달러의 큰 시장을 형성할 것으로 전망하고 있다.

이런 시장의 움직임을 감지한 배터리 제조업체들은 국내외 주요 대학·연구기관 등과 손을 맞잡으면서 전고체 배터리 개발에 속도를 내고 있다. 리튬이온 배터리의 경우 K-배터리의 기술력이 상대적으로 앞서있지만, 전고체 배터리 등 차세대 분야에서는 독자적으로 연구하기엔 큰 부담이 따르기 때문에 세계적인 연구진과 함께 R&D 투자를 적극적으로 추진하고 있다.

업계에서 유일하게 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 모두 개발 중인 LG에너지솔루션은 2026년 고분자계, 2030년 황화물계 배터리를 각각 상용화한다는 목표다. 삼성SDI와 SK온은 2027년과 2030년 각각 황화물계 배터리 상용화를 계획하고 있다.

전기차 배터리 시장 규모라는 제목 아래 그래프가 그려져 있다. 2018년 15.1조원, 2019년 25.0조원, 2020년 39.3조원, 2021년 56.5조원, 2022년 71.5조원, 2023년 95.8조으로 시장이 점차 커지고 있음을 보여주고 있다. 2022년부터 추정치며 출처는 미래에셋대우다. 그 아래 국내 배터리 3사 전고체 개발상황에 대한 표가 있다. LG엔솔은 - 미국 샌디에이고 대학과 전고체 상온 고속충전 기술 확보 - 2026년 고분자계 전고체 배터리 상용화 목표 - 2030년 황화물계 전고체 배터리 상용화 목표이며 삼성SDI는 - 삼성종합기술원 1회 충전 800km이상 주행가능 기술 확보- 삼성종합기술원 1000회 이상 충방전 가능한 전고체 기술확보- 2027년 황화물계 전고체 배터리 상용화 목표 이며 SK온은 - 미국 솔리드파워와 전고체 배터리 공동개발- 노벨상 수상자 존 굿이너프 교수와 차세대 배터리 연구 협업- 이승우 조지아공대 교수와 전고체 배터리 개발 협업 개시- 2030년 이전 황화물계 전고체 배터리 상용화 목표이다.

l 포스코, 전고체 배터리 시장 정조준

포스코는 올해 산화물계 전고체 배터리 업체 프롤로지움(Prologium) 지분 투자, 황화물계 고체전해질 생산 본격화 등 차세대 이차전지소재 분야 사업 포트폴리오 강화에 나서고 있다.

프롤로지움은 2006년 대만에서 설립된 세계 최초의 전고체 배터리 제조기업으로, 현재 독일의 다임러그룹 등 주요 완성차업체와 함께 전기차용 전고체 배터리를 공동 개발하고 있다. 포스코홀딩스는 프롤로지움과 협력해 및 핵심소재인 전고체 배터리 전용 양극재와 실리콘 음극재, 고체전해질 공동개발 및 글로벌 공급 체계를 구축할 방침이다.

또 포스코그룹은 올해 10월 포스코JK솔리드솔루션*의 고체전해질 생산공장을 준공했다. 이번 준공을 통해 연산 24톤 규모의 고체전해질 생산라인을 갖추게 됐다. 이는 전기차 약 1,000대 분량으로, 아직 극초기 단계인 고체전해질 시장에선 국내 최대 규모다.
*포스코JK솔리드솔루션 : 2022년 2월 포스코홀딩스가 국내 최고 수준의 고체전해질 기술을 보유한 정관(JK)과 함께 설립한 합작법인.

고체전해질 사업은 포스코그룹의 대표적인 미래 소재사업이다. 포스코JK솔리드솔루션 공장 준공을 발판 삼아, 생산규모를 수천 톤 급으로 확대해 차세대 이차전지소재 시장을 선점할 계획이다. 현재 주류를 이루고 있는 리튬이온전지뿐 아니라 전고체 배터리까지 밸류체인을 확장해 전기차 소재 시장을 선점한다는 전략이다. 미래를 저장할 배터리 기술, Post LiB 시대가 열리는 그날까지 포스코의 노력은 계속될 것이다.

기업시민 포스코 Green With POSCO 함께 환경을 지키는 회사 / Together / Green / Life / Community / 우측 손 위에 새싹이 자라는 일러스트 이미지.