꿈의 배터리냐 거품이냐…투자자 위한 전고체 이야기[딥다이브]

요즘 국내 주식 투자하는 분들은 다들 이차전지 전문가입니다. 배터리 셀(전지) 업체뿐 아니라 소재 기업까지 활발히 투자하다 보니 양극재와 음극재가 뭔지, 배터리 구조가 어떤지도 훤히 아시죠.

그런데 이건 어떤가요. 전고체배터리. 생소하신가요? 아니면 ‘액체 전해질 대신 고체 전해질 쓰는 배터리’ 정도로 알고 있나요?

저는 후자였는데요. 전고체배터리 전문가분과 이야기 나눠보니 생각한 것보다 더 놀라운 차세대 배터리 기술이더군요. ‘너무 단가가 비싸서 상용화가 어려울 것’이란 편견도 깨게 됐고요. 한국전자기술연구원(KETI) 차세대전지연구센터에서 전고체배터리 연구팀을 이끄는 조우석 수석연구원과 인터뷰했습니다.

*이 기사는 18일 발행한 딥다이브 뉴스레터의 온라인 기사 버전입니다. ‘읽다 보면 빠져드는 경제뉴스’ 딥다이브를 뉴스레터로 구독하세요.
https://www.donga.com/news/Newsletter

화재 가능성 제로의 배터리

-전고체배터리는 이름부터 ‘전부 고체’라는 뜻이 담겨있는데요. 보통 전기차에 쓰이는 리튬이온전지와는 정확히 뭐가 다른가요.

“1800년에 이탈리아 알렉산드로 볼타가 전지를 처음 만들었죠. 이후 지금의 이차전지까지 발전했는데요. 그동안 모든 전지는 양극과 음극이란 고체상태 물질이 있고, 그 가운데엔 ‘전해액’이란 액체가 있습니다. 이온이 왔다 갔다 하면서 에너지를 내는 시스템인데요.

전고체배터리는 전해액과 분리막을 없애고 그 부분을 이온을 전도할 수 있는 고체 상태 물질, 즉 ‘고체 전해질’로 대체해 씁니다. 따라서 리튬이온전지에선 이온이 ‘고체→액체→고체’로 이동하지만, 전고체배터리는 이동 반응이 고체 상태에서만 일어납니다. 그래서 ‘전고체’라고 부르죠.”

-전고체배터리를 특히 주목하는 이유가 ‘안전성’인데요. 얼마 전에도 전기차가 추돌 후 배터리에 화재가 나서 불 끄는 데 세 시간 걸렸다더라고요. 만약 전고체배터리를 쓰면 이런 화재 위험이 아예 없나요?

“기존 리튬이온전지가 사고가 나면 불이 나는 이유는 전해액이 불에 잘 붙는 가연성 물질이기 때문입니다. 또 일단 불이 나면 양극과 음극 소재가 계속 산소를 공급하며 같이 타기 때문에 상당히 끄기 어렵죠. 이와 달리 전고체전지는 불에 붙는 물질이 아니에요. 모든 소재가 안정적이기 때문에 화재위험이 없다고 얘기합니다.”

-사고가 나서 배터리가 찌그러진다 해도 전고체배터리는 불이 붙지 않는다?

“현재 제가 알고 있는 지식으론 그럴 것 같습니다.”

리튬이온배터리와 전고체배터리 구조 비교. 액체 전해질과 분리막 대신 고체전해질이 있다. 동아일보

-또 전고체배터리는 안전성만 높은 게 아니라 에너지 밀도도 높다더라고요. ‘똑같은 크기(무게)여도 충전 용량이 더 크다’는 얘기일 텐데, 왜 그런가요?

“전고체전지는 기존 리튬이온전지가 하지 못했던 걸 할 수 있어요. 그래서 에너지 밀도를 올릴 수 있는데요. 첫 번째로 리튬이온전지는 양극의 두께가 한정됩니다. 두껍게 못 만들어요. 왜냐면 양극을 두껍게 만들수록 그 내부로 액체 상태인 전해액이 침투를 잘 못해요. 그래서 우리가 원하는 성능이 나올 수 없죠.

그런데 전고체전지는 모든 게 고체이기 때문에, 양극에도 사전에 고체 전해질이 섞여 들어가야 해요. 사전에 우리가 이온이 움직일 수 있는 패스(통로)를 만들어주죠. 그러다 보니까 전극을 두껍게 만든다고 하더라도, 깊은 방향으로도 충분히 이온을 전달시킬 수가 있습니다.

같은 면적에 전극을 2배 두께로 올리면 면적당 용량을 훨씬 많이 실을 수 있잖아요. 따라서 그게(양극재를 두껍게 올릴 수 있음) 장점이고요.

또 다른 에너지 밀도를 올릴 수 있는 방법은 리튬 금속을 그대로 음극으로 쓰는 기술이에요. 이게 (에너지 밀도 측면에서) 가장 좋은데, 리튬 금속이 워낙 불에 잘 붙는 위험이 있어서 못 쓰고 있어요. 그래서 흑연이나 실리콘을 섞는 방향으로 (음극재가) 가고 있는데요.

전고체전지는 잘만 컨트롤하면 리튬 금속을 직접 음극으로 쓰는 기술이 가능합니다. 더 나아가서는 삼성SDI도 몇 년 전에 발표한 건데 무음극, 에노드 리스(Anode-less)’라는 기술이 있어요. 말 그대로 음극이 없다는 얘기이죠. 집전체 위에 실버(은)와 카파(구리)의 얇은 층을 만들어주면, 충전할 때 양극에 있는 리튬이 나가서 그냥 거기에 리튬 층이 생기는 거예요. (리튬이온이) 왔다 갔다 하면서 (리튬 층이) 생겼다 없어졌다 하죠. 그래서 에너지 밀도를 상당히 올릴 수 있어요.

시뮬레이션해보면 리튬이온전지는 올릴 수 있는 용량이 300~350Wh/㎏ 정도가 최대 한계라고 보는데요. 전고체전지는 400~450Wh/㎏까지 충분히 나올 수 있습니다.”

-지금까지 개발한 기술만으로도 이미 앞서고 있군요.

“물론 아직 셀 기술은 완성되지 않았어요. 대신 부품만 가지고 보면 그 정도 가능성이 있고요. 저희 연구원이 연구하는 게 양극 쪽인데요. 지금 만드는 양극이 리튬이온전지의 2배 정도가 나와요.

리튬이온전지를 잘 만들면 면적당 ‘전극 용량’이 4mAh/㎠ 정도 나오는데요. 전고체배터리로는 8mAh/㎠까지, 거의 두배 수준이 나오더군요. 이 ‘8’이란 숫자는 리튬이온전지에선 구현할 수 없는 숫자입니다.”

전고체배터리도 종류가 여럿

조우석 한국전자기술연구원(KETI) 수석연구원은 일본 도쿄공업대학에서 세계 전고체 연구의 1인자 칸노 료지 교수 지도를 받아 석박사를 한 전고체배터리 전문가이다. 안철민 기자

-전고체배터리가 지금 없는 건 아니잖아요? 일본 무라타제작소에선 웨어러블기기용 전고체배터리를 만든다고 알고 있는데요. 지금은 어떻게 쓰이나요?

“무라타제작소는 아주 작은 마이크로칩 형태 전지를 만들어요. 사이즈가 1㎝ 조금 안 되는. 이건 주로 보청기라든가, 이런 작은 부품에 들어가는 용도로만 쓸 수 있어요. 사이즈가 작으면 에너지를 많이 넣을 수가 없거든요.

왜 이런 제품이 가장 먼저 나왔느냐면은 전고체전지도 종류가 되게 많습니다. 종류를 결정하는 건 고체 전해질이에요. 대표적으로 산화물계와 황화물계로 나뉘지요. 무라타처럼 칩 형태로 만드는 건 산화물계입니다. 산화물계는 모래 알갱이 같아서 잘 뭉치지 않는데요. 무라타는 기존에 갖고 있던 MLCC(적층세라믹콘덴서) 기술을 이용해 전지를 만드는 겁니다.

도요타나 국내업체들이 전기차 시장을 목표로 만들려고 하는 대용량 전고체전지에 들어가는 건 다 황화물 고체전해질입니다. 황화물 고체전해질은 전도도가 높아서 현재의 리튬이온전지에 사용하는 전해액보다 더 우수한 성능이 나오거든요.

황화물은 되게 무른 특성이 있어요. 고무지우개 가루처럼 입자들이 잘 뭉쳐요. 그래서 접촉면적을 잘 만들어주고 리튬이온이 잘 통할 수 있게 해줘서 고출력을 낼 수 있죠.”

2027년 양산은 과연 가능할까?

-전고체배터리를 두고 수년 전부터 ‘이거 나오면 대박이다’, ‘꿈의 배터리다’라고 얘기됐는데요. 최근 관심이 높아진 게 도요타와 삼성SDI가 2027년 전고체 배터리 양산을 발표했기 때문입니다. ‘이게 정말 되긴 되는구나’라는 느낌인데요. 하지만 일부에선 2027년은커녕 2030년이 돼도 전기차용 전고체배터리는 양산되지 못할 거라고 얘기합니다. 박사님이 보시기엔 어떤가요?

“도요타가 전고체전지의 선구자인데, 2000년대 초반부터 연구했어요. 20년 전 소재부터 차근차근 연구해서 ‘2020년 도쿄올림픽 때 전고체전지 전기차를 시연하겠다’고 했죠. 그리고 2021년 도쿄올림픽(코로나로 1년 연기)에서 유튜브 영상을 공개합니다. 프리우스처럼 생긴 전기차가 번호판을 달고 주행하는 영상이에요.

그걸 보면서 도요타가 실제로 전기차에 넣을 만큼 사이즈의 전고체전지 기술을 확보했다는 걸 알 수 있었는데요. 제 판단으로는 아마 그 전기차가 우리가 흔히 아는 (한번 충전으로) 300~400㎞ 가는 그런 전기차는 아닐 거예요.”

-그렇게는 못 갈 거다?

“10㎞를 갈 수도 있고요.”

-차가 달리긴 하지만 얼마나 달리는지는 모르는 거군요.

“왜냐하면 도요타도 100% 전기차에 전고체전지를 쓰겠다는 게 아니라, 플러그인하이브리드(PHEV)에 먼저 쓰겠다고 하고 있어요. 그 얘기는 아직까진 크게 셀을 만드는 공정에 있어서 많은 어려움이 있다는 거죠. 또 가격적인 문제도 아직 있을 거고요.

국내의 경우엔 삼성SDI나 현대차가 2027년 전후에 시연하겠다고 얘기하는데요. 제가 볼 땐 아직까지 전기차용 배터리를 양산해서 제품을 팔겠다는 개념은 아닌 것 같아요. 왜냐하면 지금 사람들이 가장 관심이 큰 건 전기차이고 전고체배터리를 전기차에 넣는 게 목표이겠지만, 사실 셀 기술이라는 게 그렇게 쉽지 않거든요.

리튬이온전지도 마찬가지예요. 1992년 소니가 처음 내놨던 배터리는 카메라에 들어가는 작은 사이즈였는데요. 이게 점점 커져서 지금은 그걸 자동차에 집어넣어서 한 번에 400~500㎞ 가게 됐죠. 그동안 물질의 케미스트리 면에서 크게 발전이 있었다기보다는, 셀 기술에 있어서 상당히 진보적으로 치고 나간 겁니다. 한국이 배터리 시장에서 일본을 제치고 나간 것도 셀 설계 기술과 셀 제조 기술의 노하우 덕분이고요.

그것처럼 만약 2027년에 전고체배터리가 나온다면 핸드폰 사이즈 정도가 양산되지 않을까 하고요. 리튬이온전지가 거의 30년에 걸쳐 기술이 발전했던 것처럼, 전고체도 가격을 내리고 사이즈를 점점 키우겠죠. 아마도 2040년 이전엔 되지 않을까 생각합니다.”

-그야말로 전고체전지 100%인 순수 전기차가 나오려면요?

“물론 (그 전에도) 비싸게는 팔 수 있죠. 예를 들어 포르쉐 같은 하이엔드 브랜드가 상징적으로 전고체배터리를 넣겠다고 하면 2030년 이전에도 나올 순 있어요. 그런데 대중이 전고체전지를 전기차에 편안하게 사용할 수 있는 건 2030년 이후로 보는 게 맞을 겁니다.”

-말씀하신 대로 가격도 관건이네요. 당분간은 프리미엄급에나 쓰이겠군요.

“아마 그럴 가능성이 커요. 그런데 또 모르죠. 저도 연구를 하면서 많이 놀라니까요.”

-왜 놀라시는데요?

“원래 연구하면 내가 생각했던 것처럼 결과물이 잘 나오는 경우는 거의 없거든요. ‘이만큼만 나왔으면 좋겠는데’라고 하지만 그만큼 안 나오는 경우가 대부분인데요. 전고체전지 연구를 하면서는 제가 생각한 것보다 더 높은 성능을 볼 때가 많아요. 그럼 ‘이건 진짜 뭔가 되겠다’는 생각이 들죠.

배터리는 크게 소재, 부품, 전지(셀) 3개로 나눠 얘기하는데요. 제가 봤을 땐 전고체 소재와 부품은 어느 정도 수준까지 나왔어요. 그런데 셀이 아직 어려운 부분이고요. 가격 문제를 얘기하자면, 보통 ‘전고체는 너무 비싸서 안 돼’ 이런 말 많이 하는데요.”

전고체배터리는 전기차 구조를 단순화하고, 무게도 줄일 수 있다. 게티이미지

-전고체배터리는 가격 경쟁력이 너무 떨어져서 아예 빛도 못 보고 사장될 수 있다는 전망도 있긴 하죠.

“가격에서 가장 큰 게 고체 전해질 가격이에요. 황화물 고체 전해질로 많이 쓰는 게 ‘아지로다이트’라는 물질인데, 리튬∙인∙황∙염소 원소들이 조성을 이뤄 만든 물질입니다. 그 원료 중 리튬황 가격이 상당히 비쌉니다. 그런데 사실 리튬+황이어서 그렇게 비쌀 필요는 없어요. 지금 비싼 이유는 산업적으로 아직 이 원료를 만드는 사람이 많이 없었기 때문입니다. 시약 수준으로만 쓰다 보니까 가격이 말도 안 되게 비싼 거죠. 그런데 이걸 산업에서 앞으로 많이 필요하니까 만들겠다고 하면 상당히 가격을 낮출 수 있어요.

즉 원료값이 지금 비싼 거지, 이게 계속 비쌀 이유는 없고 대량생산이 되면 당연히 떨어집니다. 대량생산도 쉽게 할 수 있고요. 지금 국내에도 그런 원료를 개발하려는 업체가 한두군데 있습니다.”

-‘비싸서 안 돼’라는 건 지금 기준이고, 앞으로 얼마든지 달라질 수 있군요.

“또 하나는 공정 가격입니다. 황화물 고체 전해질의 가장 큰 단점이 수분에 취약한 겁니다. 대기 중 수분과 만나서 반응하면서 성능이 저하되는 문제가 있고요. 반응할 때 황화수소 가스도 나와요.”

-인체에 해로울 것 같은데요.

“해로운 거 맞아요. 되게 많은 양이 노출이 되면은 사람이 죽을 수도 있어요. 그런데 우리가 일본 하코네 온천 가면 계란 썩은 냄새 나잖아요. 그게 황화수소 가스 냄새거든요. 그 양이 많지 않으면 크게 문제는 없는 거죠. 또 황화수소 가스는 공기보다 무거워서 바닥으로 깔리고요. 자동차가 사고가 나서 황화수소 가스가 유출된다고 할 땐 인명에 손상을 가할 만큼 큰 위험은 아닐 겁니다.”

-그냥 유황 온천 들어가는 수준인 거군요.

“문제는 공정이죠. 전지를 만드는 공장에서 사고가 나서 가스가 나온다면 상당히 위험할 수 있어요. 성능도 저하되고요. 그걸 방지하기 위해 수분이 없는 조건에서 전지를 만들어야 해요. ‘글로우박스’라고 하는 수분이 제어되는 장비 안에서 전지를 만들 거나, 아니면 ‘드라이룸’이란 시설이 있고요. 그런 건 시설비가 상당히 많이 들죠. 그래서 고체 전해질을 대기 중 노출해도 수분과 반응을 적게 하는 소재로 많이들 개발하고 있어요. 그런 방향으로 간다면 공정비용도 충분히 떨어뜨릴 가능성이 있다고 판단합니다.”

-전고체 배터리가 전기차보다는 UAM, 즉 ‘드론 택시’에 더 쓰일 거라는 얘기도 있더군요.

“전고체전지가 처음 상용화될 만한 부분이 그런 쪽이죠. 항공기나 선박, 아니면 잠수함이요. 그리고 군용에 들어갈 가능성이 클 겁니다. 군용은 가격을 안 따지니까요. 비싸더라도 안전성과 신뢰성이 가장 중요하기 때문에 아마 그쪽으로 많이 사용하지 않을까 생각합니다.”

전고체배터리는 한일 대결? 한국의 경쟁력은?

지난해 인터배터리전시회에서 삼성SDI가 공개한 전고체배터리 개발 계획. 뉴스1

-아무래도 전고체배터리 기술의 원조는 일본이고, 일본이 가장 앞서가고 있는데요. 한국이 뒤늦게 열심히 투자해서 쫓아가고 있잖아요. 보시기에 한국 전고체 배터리 기술력 수준이 어느 정도인가요. 앞으로 한국 기업이 그래도 일본과 어느 정도 경쟁할 수준이 될까요?

“전고체전지 중에서도 소재, 즉 고체 전해질만 보면 아직까진 일본 업체가 월등하게 앞서가곤 있어요. 그 부분을 국내 기업 몇군데도 하려고 하고 있고요.”

-기업 이름을 얘기해주시면 더 감사한데요.

“씨아이솔리드가 있고요. 또 보안 때문에 아직까진 이름을 노출하지 않은 회사들이 많아요. 어쨌든 여러 곳이 하고 있고요. 그런데 아직은 일본 거에 못 따라가고 있어요. 특히 어느 부분을 못 따라가느냐면, 양극에 들어가는 고체 전해질은 상당히 입자를 작게 만들어요. 1마이크로미터보다 작게 만들어야, 양극 안에 잘 섞여 들어가서 이온이 잘 이동하게 해주거든요. 그렇게 작게 만드는 기술에서 아직까진 우리 기업들이 많은 어려움을 겪고 있어요. 저도 연구하고 있지만 상당히 어렵더라고요. 그 부분은 어느 정도 시간이 걸릴 것 같고요.

양극 소재도 마찬가지예요. 기존 리튬이온전지에서 쓰던 걸 그대로 전고체 전지에 쓰려고 하는데요. 전고체전지 시스템을 이해한 상태에서 양극을 좀 더 튜닝해야 하는데 그런 연구가 아직까진 부족해요.

전지(셀) 기술이 가장 궁금할 텐데, 이 분야 세계 넘버원은 도요타입니다. 그런데 도요타가 셀을 어떻게 만드는지는 저도 잘 몰라요. 일본에서 도요타나 다른 관계자를 만나서 얘기해보면 알려주질 않아요. 다만 특허 수를 볼 때 도요타가 1등이라고 생각하고요. 국내엔 삼성SDI와 현대차, 그리고 LG에너지솔루션도 열심히 하고 있어요.

가장 주목할 만한 기술은 아까 말씀드린 무음극(에노드-리스) 기술인데요. 그걸 삼성에서 만들었어요. 삼성 일본 연구소가 기술을 인큐베이팅한 다음, 그게 국내로 넘어왔죠. 아마도 삼성은 그 기술을 사용해 전고체 전지를 만들 거예요. 따라서 삼성의 기술도 상당히 뛰어나고 보고요.

현대차도 공개된 건 없지만 거기 못지않게 할 거라고 예측합니다. 따라서 도요타를 제외한 다른 일본 회사들과 비교했을 땐 삼성과 현대가 잘하고 있다고 개인적으로 생각합니다.

그다음 주목할 건 독일입니다. 독일은 전통적으로 고체화학이 강한 나라예요. 기존 리튬이온전지에 대해서는 독일이 기술을 가진 게 없지만 전고체전지는 자기들이 정말 열심히 하려고 해요. 또 독일은 전통적인 자동차 강국이잖아요. 벤츠와 BMW 같은 자동차 업체도 열심히 하고, 독일 바스프도 전고체 관련 소재를 많이 개발 중입니다.”

-워낙 배터리는 투자자분들의 관심이 뜨거운 분야인데요. 전고체배터리에 대해서 좀 희망적인 얘기 부탁드릴게요.

“리튬이온전지 이후에 많은 차세대 전지 후보군이 있었습니다. 리튬황, 리튬에어, 소디움전지, 전고체 전지 등. 저도 상당히 많은 연구를 해봤는데요. 전고체전지 연구를 하면서는 깜짝깜짝 놀라는 경우가 많습니다. 그래서 충분히 상용화될 기술이라고 판단하고요. 늦게 시작하긴 했지만 국내에서 상당히 열심히 연구하고 있고, 국내엔 이를 받쳐줄 정부와 기업도 있다는 게 매우 긍정적입니다. 당장은 아니지만 조만간 제품을 만날 수 있을 거라고 말씀드립니다.” By.딥다이브

꿈의 배터리, 전고체배터리에 대한 궁금증이 좀 풀리셨나요. 저는 무엇보다 소재나 부품 기술력 못지 않게 중요한 게 셀을 만드는 능력이라는 설명이 흥미로웠는데요. 리튬이온배터리 강국인 한국이 투자를 집중한다면 전고체배터리에서도 얼마든지 강국이 되지 않을까 하는 희망회로를 돌려봅니다. 주요 내용을 요약해드리자면

-전해액과 분리막 대신 고체 전해질을 쓰는 ‘전고체배터리’가 2027년 양산을 목표로 개발되고 있습니다. 불이 붙지 않는 데다 에너지 밀도도 크게 높일 수 있는 차세대 배터리입니다.

-관건은 가격. 대량생산으로 원료 가격을 낮추고, 수분과 반응을 덜하는 소재개발이 필요한데요. 프리미엄급 전기차엔 어쩌면 2030년 이전에, 대중적인 전기차엔 아마도 2040년 이전에 전고체배터리가 탑재될 수 있을 겁니다.

-이 분야에선 도요타가 단연 세계 1위이긴 하지만, 삼성SDI나 현대차 같은 국내 기업 기술도 상당한 수준으로 추정되는데요. 출발은 뒤졌지만 이차전지 기반이 단단한 만큼 한국이 잘 해나갈 분야입니다.

한애란기자 haru@donga.com

이 기사에 대해 어떻게 생각하시나요?

동아일보에서 직접 확인하세요. 해당 언론사로 이동합니다.