K배터리 '꿈의 전지' 주도권 잡는다

세계 최고수준 新고체전해질
SK온·단국대 공동개발 성공
출력 커지고 충전속도 높여
전고체 전지 상용화에 성큼
삼성은 시제품 완성차 탑재
LG엔솔 황화물·고분자 연구

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

국내 배터리 3사가 삼원계 배터리에서 나아가 '게임체인저'로 불리는 전고체배터리 개발을 통해 기술 주도권을 쥐려는 모양새다. SK온은 31일 박희정 단국대 신소재공학과 교수 연구팀과 공동 개발한 산화물계 고체전해질 관련 연구 결과가 저명한 학술지인 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼스' 표지 논문에 게재됐다고 밝혔다.

리튬이온전도도는 전해질 내 리튬이온의 이동 속도다. 속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다. 해당 기술에 대해 국내외 특허 출원도 완료했다. 이번 개발로 전고체배터리 경쟁력이 한층 높아질 전망이다. 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. 전고체배터리는 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 양극물질과의 반응성이 적고 리튬 덴드라이트 현상을 억제할 수 있어 흑연 음극재를 고용량인 리튬 메탈로 대체할 수 있다.

이 고체전해질은 현재 NCM(니켈·코발트·망간) 양극재를 기반으로 하는 전고체배터리 외에도 차세대 배터리로 꼽히는 리튬·황배터리와 리튬·공기배터리를 전고체화할 수 있는 소재로 활용할 수 있다. 현재 개발 중인 리튬·황배터리, 리튬·공기배터리는 액체전해질을 사용하는데 고체전해질을 적용해 전고체배터리로 만들 수 있을 것으로 기대된다. 또 SK온이 개발 중인 고분자·산화물 복합계 전고체배터리에도 적용할 수 있다. 이를 차세대 배터리에 적용한다면 화재 안전성과 장거리 주행 가능성을 모두 충족시킬 수 있게 된다.

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

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

2027년 전고체배터리 양산을 목표로 하는 삼성SDI는 지난 6월 수원 전고체배터리 파일럿 공장에서 황화물계 시제품을 생산했다. 손미카엘 삼성SDI 부사장은 하반기에는 완성차 고객사에 시제품을 공급해 데모 차량에 탑재할 것이라고 밝힌 바 있다. 또 2027년 양산 일정으로 신규 고객사를 확보하고 복수의 완성차 업체와 전고체배터리 공급을 협의 중인 것으로 알려졌다. LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체배터리, 2030년 황화물계 전고체배터리 양산을 목표로 하고 있다. 이를 위해 카이스트, 서울대 등과 산학협력으로 전고체배터리 관련 연구를 진행하고 있다.

[정유정 기자]