“전기차 화재 걱정도 사라진다”…한일중 사활 건 전고체 개발 경쟁

소형 전고체 배터리 개발로 자극
전기차 게임체인저로 주목
이온전도성 높은 황화물계 전해질
기술 난이도·원가 경쟁력 확보 허들
국내 K-배터리업체들도 집중 투자

전기차 배터리. [사진 = 연합뉴스]

삼성전기의 소형 전고체 배터리 개발 성공은 상용화까지 수년 이상의 기간이 더 걸릴 것으로 전망되는 전기차용 전고체 배터리와 대비되는 성과다. 이번 웨어러블 기기용 전고체 배터리 개발로 향후 전기차용 전고체 배터리 개발에도 탄력이 붙을지 관심이 쏠린다.

‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리는 배터리 안전성이 뛰어나고 에너지 밀도가 높은 특징을 갖고 있다. 이는 액체 전해질 대신 상대적으로 안정성이 높은 고체 전해질을 이용하기 때문이다. 다만 배터리 소재 개발과 제조 공정의 난이도 등 이유로 상용화까지는 많은 난관을 돌파해야 한다.

기존 리튬이온 배터리와 달리 전해질이 고체로 바뀌면서 이질적인 소재로 인한 계면 저항 변화, 전극과 전해질 사이의 이온 전도도 차이를 기술적으로 해결해야 하는 과제가 남아 있다. 배터리 셀 제조과정에서 기존보다 훨씬 높은 압력과 온도가 필요한 만큼 이러한 제조 환경을 구축하는 것부터가 난관이다.

또 음극재까지 리튬메탈로 변경하는 등 전고체 배터리 생산을 위한 설비를 사실상 새롭게 구축해야 한다. 즉 대량 생산을 위한 양산 시스템 구축은 고난이도 기술 확보뿐 아니라 대규모 투자가 수반될 수 밖에 없다는 뜻이다. 생산 원가 측면에서도 고체 전해질 가격이 현재의 액체 전해질보다 훨씬 높아 대량생산 이전까지는 수지타산이 맞지 않다.

산화물계 고체 전해질을 사용하는 소형 전고체 배터리와 달리 황화물계 고체 전해질이 주로 사용되는 전기차용 대형 전고체 배터리의 특성 차이도 개발 속도를 달리하는 주요 요인이다.

삼성전기가 개발한 전고체 배터리 [사진 제공 = 삼성전기]

이번 삼성전기의 소형 전고체 배터리에 쓰인 산화물계 고체 전해질은 이온 전도성이 황화물계보다 낮지만 화학적 안정성이 높고 상대적으로 생산 난이도가 낮다. 특히 웨어러블 기기용인 만큼 소형 전고체 배터리는 출력보다는 안정성이 높은 산화물계를 선호하게 된다. 반면 이온 전도도가 배터리 성능의 핵심지표인 전기차용 전고체 배터리는 이온 전도도가 높은 황화물계 전고체 배터리 개발에 집중할 수 밖에 없다.

배터리업계 관계자는 “전기차용 전고체 배터리의 경우 이온 전도도가 높아야 할 뿐 아니라 안전성도 담보해야 하는 등 까다로운 조건을 만족시켜야 한다”며 “특히 황 성분이 수분과 반응하면 독성물질인 황화수소를 발생시켜 이를 방지하기 위한 연구·개발의 난이도가 높고 그만큼 상용화까지 시간이 더 걸린다”고 설명했다.

이런 가운데 현재 전기차용 전고체 배터리 개발을 위해 한국·일본·중국 등이 기술 개발과 선행 연구에 경쟁적으로 나서고 있다.

삼성SDI는 전고체 배터리 생산을 위한 파일럿 라인을 구축했고 샘플을 고객사에 공급하고 있다. 이르면 2027년부터 전고체 배터리 양산을 목표로 개발을 진행 중이다. LG에너지솔루션과 SK온은 2030년까지 황화물계 전고체 배터리 생산을 위해 속도를 내고 있다.

일본 완성차 업체인 도요타는 2027년 전고체 배터리를 출시하려는 야심을 드러냈고, 중국계 글로벌 배터리 업체인 CATL도 2027년에 전고체 배터리를 생산 개시하겠다는 목표다.

중국 정부는 CATL 등 6개 회사가 참여하는 전고체 배터리 개발 프로젝트에 한화로 1조원이 넘는 60억위안을 투자할 방침이다. 전고체 배터리는 개별 민간기업이 막대한 설비투자와 연구개발 비용을 감당하기 힘들다는 지적이 나온다.