"전고체 배터리, 이르면 27년 양산 시작…30년 이후 전기차 적용"

한국자동차연구원 산업분석 보고서 "에너지 밀도·안전성 동시 확보"
"수명·경제성 확보 관건…韓日 민관 연구개발 활발, 中 실증 눈앞"

(서울=뉴스1) 김성식 기자 = 이른바 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리가 2027~2028년 소형 제품으로 소량 생산이 시작되고 전기차 적용은 2030년 이후에 개시될 것이란 분석이 나왔다. 이론적 난관이 남아 있지만 한국, 중국, 일본 등 주요국을 중심으로 관련 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있어 상용화 시기가 도래했다는 설명이다.

한국자동차연구원은 27일 발간한 '전고체 리튬이온 배터리의 가능성' 보고서에서 "그간 실험적 기술에 머물렀던 전고체 배터리 상용화 개발이 10년 전부터 본격화하면서 세계 주요 기업은 차세대 산업 변화를 주도할 기술로 전고체 배터리에 주목하고 있다"며 이같이 내다봤다.

보고서에 따르면 전고체 배터리는 1980년대 리튬이온 배터리 개발 열풍 속에서 실험적으로 구현됐으나 당시에는 낮은 이온전도도, 짧은 사이클 수명 등의 단점 때문에 상용화가 요원했다. 이후 높은 이온전도도를 가진 고체 전해질 후보 물질의 발견과 전기차 시장 개화에 따라 상용화 가능성이 재부각됐다. 이후 주요 배터리 기업 외에도 도요타, 닛산, 폭스바겐 등 완성차 기업이 개발에 합류했다.

전고체 배터리가 주목받는 이유는 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도를 가지면서 동시에 열 안정성을 확보했기 때문이다. 보통 에너지 밀도를 올리면 열 안정성은 떨어지기 마련이다. 안정성을 잡기 위해 현존하는 리튬이온 배터리는 음극에 흑연계 물질을 사용하는데, 이는 충전 속도 저하로 이어진다.

전고체 배터리는 전해질 특성인 비가연성에 힘입어 음극에 흑연 대신 리튬금속을 적용할 수 있어 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도를 확보하는 데 유리하다. 또한 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리와 달리 전해질이 고체라 양극과 음극의 접촉을 막는 별도의 분리막이 필요 없다. 분리막 공간이 사라진 만큼 에너지 밀도는 더욱 올라간다.

이러한 장점에도 불구하고 상용화까지는 실사용 수명을 확보하고 양산에 적합한 제조 기술을 마련해야 하는 등 여러 도전 요인이 있다고 보고서는 짚었다. 예컨대 전기차의 경우 상용 제품은 2000회 이상 충·방전이 가능해야 하나 현재 전고체 배터리 시제품은 충·방전 횟수가 1000회 미만이다. 아울러 고체 전해질 기반의 셀을 생산하려면 원료 가공부터 셀 제조에 이르기까지 불량률을 최소화하는 공정에 대한 투자가 필요하지만 현재는 경제성이 떨어지는 실정이다.

이에 주요 배터리 선도국들은 경제적 지원을 바탕으로 전고체 배터리 개발을 계속하고 있다. 한국은 자동차 산업의 일부로 인식하던 배터리 기술을 2023년 국가전략기술로 지정하며 단독 주력 기술로 전환하고, 2030년까지 민·관 연구개발 투자 및 국내 마더 팩토리 구축 계획을 발표했다. 이를 통해 전기차 및 에너지저장장치(ESS)에 적용 가능한 전고체 배터리 셀을 구현한다는 계획이다.

중국은 올해 들어 중앙·지방 정부가 전고체 배터리 산업 지원책을 발표하고 기술 표준화 작업에 나섰다. 특히 민·관 투자가 활발하게 진행되면서 전고체 배터리가 실증 단계에 도달했다는 평가가 나온다. 일본은 기존 민간 중심 발전 체계에서 정부가 적극 개입하는 체계로 전환한 후 도요타, 파나소닉, NEDO 등과 차세대 배터리 실증을 위한 민관 기술 개발 연계를 강화하고 있다.

보고서는 이러한 업계 동향을 근거로 2027~2028년 소형 전고체 배터리 소량 생산이 시작되고 전기차 적용은 2030년 이후에 개시될 것으로 전망했다. 보통 완성차 업체가 신기술을 검증하는데 2~3년이 걸리고, 탑재 비용 대비 성능 이점 등을 고려하면 전고체 배터리는 전기차보다 소형 가전제품에 먼저 적용된다는 것이다.

다만 전고체 배터리가 성능·경제성 등에서 리튬이온 배터리 대비 우위를 확보하려면 규모의 경제 달성이 관건이라며 상용화 이후에도 기존 리튬이온 배터리와 장기간 공존할 가능성이 높다고 보고서는 내다봤다. 현재 전고체 배터리 제조 비용은 리튬이온 배터리 대비 3~5배 높다.

seongskim@news1.kr