전고체 배터리 상용화 글로벌 경쟁 불붙었다

LG엔솔, 상온서 고속충전기술
'꿈의 배터리' 10년 내 나올듯
삼성SDI, 특허 수 세계 두번째

LG에너지솔루션과 미국 샌디에이고 대학교가 공동 개발한 상온 구동 장수명 전고체 배터리의 충전 진행 과정. <LG에너지솔루션 제공>

도요타가 공개한 전고체 배터리 탑재 전기차. <도요타 유튜브 캡처>

전기차 배터리로 주로 사용되는 리튬이온배터리보다 안전하고 에너지밀도까지 높은 '꿈의 배터리' 전고체 배터리 상용화를 위한 기업들의 연구개발 경쟁이 치열하다. 일본 자동차업체 도요타가 전고체 배터리 개발에 가장 앞선 것으로 평가되는 가운데, LG에너지솔루션도 상당한 수준의 연구 성과를 보이며 기대감을 키우고 있다.

26일 글로벌 배터리 업계의 계획을 종합하면 전고체 배터리의 상용화는 10년내 이뤄질 것으로 관측된다. 우리나라에서는 LG에너지솔루션과 삼성SDI가 2027년 이후 전고체 배터리 양산을 목표로 연구개발을 진행 중이다. SK이노베이션은 2030년 이전에 전고체 배터리를 상용화하겠다는 목표다.

전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체가 아닌 고체로 사용해 에너지 밀도를 향상시키고 안전성도 강화할 수 있는 차세대 배터리다. 전고체 배터리 시장에 보다 빠르게 진입하기 위해 배터리 업체들은 치열한 연구개발 경쟁을 펼치고 있다.

◇충전가능 온도 60℃→25℃로…LG엔솔 "난제 해결"= 최근 LG에너지솔루션은 전고체 배터리 상용화의 최대 난제중 하나인 기술적 문제를 해결했다. 25℃ 정도의 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발한 것이다. 에너지 밀도를 높이기 위해 리튬 금속을 음극으로 적용한 전고체 배터리의 경우 온도에 민감해져 그동안 60℃ 이상의 고온 환경에서만 충전이 가능했다.

LG에너지솔루션과 미국 샌디에이고 대학교는 공동 연구를 통해 전고체 배터리의 음극에서 도전재와 바인더를 제거, 5㎛(마이크로미터·1㎛은 100만분의 1m)의 입자 크기를 가진 '마이크로 실리콘 음극재'를 적용하는 방법으로 문제를 해결했다.

상온에서 충전이 가능해지며 500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80%이상의 잔존 용량을 유지할 수 있게 되는 등 수명도 늘어났다. 에너지 밀도는 현재 상용화된 리튬이온 배터리 대비 약 40% 높은 수준을 구현했다.

LG에너지솔루션은 관련 연구논문을 과학저널 사이언스에 게재했다.김명환 LG에너지솔루션 최고제품책임자(CPO)는 "이번 연구 결과를 통해 차세대 배터리로 각광받고 있는 전고체 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가가게 됐다"고 말했다.

◇전고체 배터리 탑재 전기차도 나왔다… 치열한 연구 전쟁= 2030년경 시작될 전고체 배터리 시대에 앞서가기 위한 배터리 기업의 경쟁이 치열하다. 지금까지 공개된 로드맵 중 전고체 배터리 상용화 계획이 가장 빠른 곳은 일본 자동차업체 도요타다. 도요타는 2020년대 전반에 전고체 배터리 상용화를 이룬다는 목표다.

도요타는 최근 공식 유튜브 채널에 전고체 배터리를 탑재한 전기차 시제품을 공개했다. 지난해 6월 개발된 전고체 배터리 탑재 전기차는 같은해 8월 공식 번호판을 받았다. 도요타는 "확보한 주행 데이터를 바탕으로 성능을 개선해나가고 있다"고 설명했다.

도요타의 저력은 2000년대부터 전고체 배터리 연구를 시작하며 쌓아온 기술력이다. 도요타가 보유한 전고체 배터리 관련 특허는 1000개에 달하는데, 이는 전세계 전고체 배터리 특허 중 40%에 해당하는 수치다. 배터리 업계 관계자는 "그동안 도요타가 전기차 전환에 소극적인 모습을 보여왔는데, 전고체 배터리 시장에 단숨에 진입할 것으로 보인다"며 "계획이 실현될 경우 시장 판도를 뒤집을 수 있을 것"이라고 분석했다.

도요타 다음으로 전고체 배터리와 관련된 가장 많은 특허를 보유한 기업은 우리나라 삼성SDI다. 지난해 3월 삼성전자 종합기술원이 1회 충전으로 주행거리 800km, 1000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 '네이처 에너지'에 공개했다. 또 지난 8일 제주도에서 열린 국제전기자동차엑스포에서 삼성SDI는 전고체 배터리 로드맵을 선보였다. 2013년부터 전고체 배터리 기술을 선보여온 삼성SDI는 2025년 기술개발을 완료, 2027년 상용화를 목표로 하고 있다. 2027년에 양산되는 첫 전고체 배터리는 1회 충전시 주행거리가 900km에 이를 것으로 예상된다.김위수기자 withsuu@dt.co.kr