SK온 세계 최고 수준 전고체기술 개발…K배터리 3사, ‘꿈의 배터리’ 개발 총력전

출력·충전속도 높이는 신고체전해질
SK온·단국대 공동개발…특허출원
세계적 학술지 표지논문 게재
삼원계 이어 고성능 주도권
삼성은 완성차업체에 샘플 탑재
LG는 황화물계·고분자계 연구

SK온과 단국대가 공동 개발한 산화물계 신(新)고체전해질 연구 결과를 담은 세계적 저명 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(AFM)의 표지. 미세구조를 제어한 산화물계 고체전해질 소재 LLZO를 손으로 표현했다. 왼쪽 손의 작은 피부 구조는 고체전해질의 작은 입자를, 젊은 피부는 우수한 대기 안정성을 의미한다. 고체전해질이 전고체배터리의 핵심 소재라는 의미를 손에서 전기를 생산하는 모양으로 형상화했다. 붉은 로봇 나비는 SK로고에 미래 이미지를 담았다. <SK온>

SK온이 세계 최고 수준의 리튬이온전도도를 갖는 산화물계 신(新)고체전해질 공동개발에 성공했다.

국내 배터리 3사가 삼원계 배터리에서 나아가 ‘게임체인저’로 불리는 전고체전지 개발을 통해 기술 주도권을 쥐려는 모양새다.

SK온은 31일 단국대 신소재공학과 박희정 교수 연구팀과 공동 개발한 산화물계 고체전해질 관련 연구결과가 저명한 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스’ 표지논문에 게재됐다고 밝혔다.

리튬이온전도도는 전해질 내 리튬 이온의 이동 속도다. 이 속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다. 해당 기술에 대해 국내외 특허 출원도 완료했다. 이번 개발로 전고체배터리 경쟁력이 한층 높아질 전망이다.

연구팀은 해당 고체전해질이 리튬이온전도도를 크게 높이고, 대기 안정성을 확보했다고 전했다.

연구팀은 산화물계 고체전해질 소재인 LLZO(리튬·란타넘·지르코늄·산소)의 첨가물질을 조정해 리튬이온전도도를 기존보다 70% 개선해 세계 최고 수준으로 높였다고 설명했다.

통상 리튬이온전도도가 높아지면 안정성이 떨어지는데 연구팀은 LLZO의 미세구조를 균일하게 제어하는 기술로 이를 극복했다.

고체전해질은 통상 수분과 이산화탄소에 취약해 장시간 대기에 노출되면 전해질로서의 기능이 떨어지지만 이 고체전해질은 매우 우수한 안정성을 보인 것으로 나타났다.

전고체전지는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리를 뜻한다. 리튬이온배터리보다 화재 위험은 낮고 에너지 밀도는 높다.

구성 물질에 따라 산화물계와 황화물계, 고분자계 등으로 나뉜다. 산화물계 고체전해질은 황화물계에 비해 이온전도도가 낮지만, 화학적 안정성이 우수해 양극 물질과의 반응성이 적고 리튬 덴드라이트 현상을 억제할 수 있어 흑연 음극을 고용량인 리튬 메탈로 대체할 수 있다.

덴드라이트는 배터리를 충전하는 과정에서 음극 표면에 쌓이는 뾰족한 나뭇가지 모양의 결정체를 뜻한다. 이 결정체 크기가 계속 커져 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 내부 단락을 일으키고 화재로 이어질 수 있다.

배터리 용량도 크게 늘릴 수 있다. 액체전해질을 사용한 리튬이온배터리의 최대 사용 전압은 최대 4.3V이지만, 산화물계 고체전해질을 사용할 경우 최대 5.5V까지 늘어난다. 이론적으로 배터리 용량을 최대 25% 늘리는 것이 가능하다.

이 고체전해질은 현재 NCM(니켈·코발트·망간) 양극재를 기반으로 하는 전고체배터리 외에도 차세대배터리로 꼽히는 리튬·황 배터리와 리튬·공기 배터리를 전고체화할 수 있는 소재로 활용할 수 있다.

현재 개발 중인 리튬·황, 리튬·공기 배터리는 액체전해질을 사용하는데 이 고체전해질을 적용해 전고체전지로 만들 수 있을 것으로 기대된다. 또 SK온이 개발 중인 고분자·산화물 복합 전고체배터리에도 적용할 수 있다. 이를 차세대배터리에 적용한다면 화재 안전성과 장거리 주행 가능성을 모두 충족시킬 수 있게 된다.

국내 배터리 3사는 전고체전지 상용화를 앞당기기 위한 기술 개발에 총력을 다하고 있다. 국내 배터리사는 고성능 배터리인 삼원계 배터리를 주력으로 삼아 시장을 주도해왔다.

최근 이른바 ‘가성비’를 앞세운 리튬인산철(LFP) 배터리가 주목받고 있지만, 미래 시장을 선점하기 위해서는 전고체 기술을 확보해야 한다는 판단으로 해석된다.

SK온은 고분자·산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체배터리를 개발하고 있다. 두 종류 모두 2026년 초기 단계의 시제품을 생산하고, 2028년 상용화하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 대전 배터리연구원에 건설 중인 차세대배터리 파일럿 공장은 내년 완공 예정이다.

2027년 전고체전지 양산을 목표로 하는 삼성SDI는 지난 6월 수원의 전고체전지 파일럿 공장에서 황화물계 시제품을 생산했다. 손미카엘 삼성SDI 부사장은 하반기에는 완성차 고객사에 시제품을 공급해 데모 차량에 탑재할 것이라 밝힌 바 있다. 또 2027년 양산 일정으로 신규 고객사를 확보하고 복수의 완성차 업체와 전고체전지 공급을 협의 중인 것으로 알려졌다.

LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 배터리, 2030년 황화물계 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있다. 이를 위해 KAIST, 서울대 등과 산학협력을 맺어 전고체전지 관련 연구를 진행하고 있다.