[박한나의 배터리ON] “꿈의 배터리, 현실로”… 한·중·일 전고체 패권 경쟁

삼성SDI의 전고체 배터리. 삼성SDI 제공.

“국내외 배터리 기업들의 전고체 배터리는 어느 수준까지 와 있나요? 전고체 배터리가 전기차에 본격 탑재되기까지 최소 몇 년이 더 필요할 것으로 예상하십니까?”

‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리를 둘러싸고 한·중·일 3국의 기술 패권 경쟁이 본격화하고 있습니다. 전고체 배터리는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체해 양극과 음극에서 전해질까지 모든 구성 요소를 고체화한 차세대 배터리입니다.

전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 폭발이나 화재 위험이 매우 낮습니다. 고체 전해질은 분리막 역할도 동시에 수행할 수 있어 그만큼 더 많은 양극재를 채워 고에너지 밀도를 구현할 수 있습니다.

국내에서는 삼성SDI가 2027년 양산을 목표로 가장 빠른 로드맵을 추진 중입니다. 자체 개발한 고체 전해질 소재와 무음극 기술로 양극을 더 많이 채워 900Wh/L의 에너지 밀도를 달성했습니다. 이는 현재 양산 중인 각형 대비 약 40% 높은 수준입니다.

최근 삼성SDI는 경기도 수원 영통구에 위치한 연구소 내 전고체 배터리 파일럿 라인(S라인)을 ‘온간정수압프레스’(WIP) 장비에서 ‘롤 프레스’ 장비로 전환했습니다. 핵심공정인 양산형 압착공정에 돌입한 만큼 다음 단계의 샘플 진전 단계인 셈입니다.

전고체 배터리는 전극과 전해질이 모두 고체 상태여서 내부 저항이 높아 이온전도도가 낮다는 한계가 있습니다. 이를 개선하려면 양·음극과 고체 전해질이 맞닿는 경계면(계면)을 빈틈없이 밀착해 저항을 최소화해야 하며, 이를 위한 초고압 압착 공정이 핵심입니다.

삼성SDI가 과거에 적용해온 WIP는 사방에서 균일한 압력을 가하는 ‘등방압’ 방식으로, 연구 단계에서는 높은 밀착도와 우수한 품질을 구현할 수 있습니다. 그러나 한 번에 한 셀씩만 처리할 수 있고 세정·건조 등의 복잡한 과정이 필요해 자동화가 어렵다는 한계가 있어 양산 적용에는 어렵습니다.

반면 롤 프레스 방식은 기존 리튬이온 배터리 공정에 이미 적용돼 온 장비로, 두 개의 롤러 사이로 재료를 통과시켜 압착하는 공정입니다. 연속 생산이 가능해 속도가 빠르고, 자동화에도 유리해 대량 생산에 적합하다는 평가입니다.

삼성SDI는 WIP 공정으로 구현한 전고체 셀의 성능을 롤 프레스 방식에서도 유사한 수준으로 재현하기 위해 집중하고 있는 것으로 알려졌습니다. 연속 압착을 통해 빠르고 자동화된 대량생산을 실현하기 위한 핵심공정의 기술 장벽을 넘고 있는 셈입니다.

한 배터리업계 관계자는 “롤 프레스 기술이 완성돼야 전고체 배터리의 본격적인 양산이 가능하다”며 “연구실 단계에서 사용하는 등방압 프레스는 예술품처럼 완벽한 단품 셀을 만들 수는 있지만 대량 생산에는 한계가 있어 공장형 롤 프레스 방식으로 전환한 것”이라고 말했다.

중국과 일본도 전고체 상용화에 속도를 내고 있습니다. 상용화를 먼저 성공하는 기업이 전고체 배터리 시장의 주도권을 선점하는 효과를 가져가기 때문입니다.

한국자동차연구원에 따르면 중국은 중앙·지방 정부가 올해 전고체 배터리 산업 지원책을 발표하고 기술 표준화 작업을 진행 중입니다. 민·관 투자가 맞물리며 전고체 배터리 실증 단계에 도달한 것으로 평가됩니다.

중국 CATL은 “전고체 배터리의 공급망 개발을 포함한 상용화는 아직 멀다”고 강조해 왔지만 현재 1000명의 엔지니어가 전고체 프로젝트에 참여하고 있으며 시험 생산 라인을 진행 중입니다.

CATL은 이미 발표한 전고체 배터리의 에너지 밀도는 무게 기준의 성능을 강조한 500Wh/kg입니다. 2027년까지 소규모 생산을 달성한다는 목표로, 전기차보다는 에너지 밀도가 더 중요한 드론과 로봇에 더 적합하다는 설명입니다.

하지만 중국 곳곳에서 전고체 상용화 시도가 적극적으로 이뤄지고 있습니다. 중국 배터리업체 신왕다는 최근 최대 1000km 이상의 주행거리를 구현한 전고체 배터리를 공개했습니다. 2027년 대량 양산을 목표로 올해 말 0.2GWh 규모의 시범 생산 라인을 구축하고 내년부터 소량 생산을 시작한다는 계획입니다.

일본도 기존 민간 중심 발전 체계에서 정부가 배터리 산업에 적극 개입하는 체계로 전환한 이후 도요타, 파나소닉 등 차세대 배터리 실증을 위한 민관 기술개발 연계를 강화했습니다.

토요타는 이달 8일 스미토모금속과 함께 전고체 배터리용 양극재를 대량생산하는 협력을 체결했습니다. 도요타는 다양한 협려으로 2028년부터 전고체를 장착한 전기차를 출시한다는 목표이며, 스미토모금속은 2028년 4월부터 전고체용 양극재의 대량 양산을 시작할 계획입니다.

파나소닉은 지난달에 125°C에서도 충전과 방전이 가능한 내열성이 높은 버튼형 전고체 배터리 생산을 시작한다고 발표했습니다. 극한의 더위에서도 오래 지속되는 전고체 배터리로 샘플 배송은 내년부터 시작할 예정입니다. 파나소닉은 이 배터리를 그룹 전고체 기술의 첫 걸음으로 평가하고 있습니다.

2027년은 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리가 현실로 등장하기 시작하는 해가 될 것으로 전망됩니다. 업계는 2030년부터 전기차 대량 실사용 시대가 본격적으로 열릴 것으로 내다보지만 이르면 2년 뒤부터 웨어러블, 소형 전자기기 등 소형 전고체 배터리부터 탑재가 시작될 것으로 보입니다.

맹진규 한국자동차연구원 연구원은 “전고체 배터리가 성능·경제성 등 총체적인 우위를 확보하려면 규모의 경제 달성이 관건”이라며 “상용화 이후에도 기존 리튬이온 배터리와 장기간 공존할 가능성이 높다”고 말했습니다.

이어 “현재 전고체 배터리의 제조 비용은 액체 전해질 기반 리튬이온 배터리보다 3~5배 더 높은 것으로 분석된다”며 “2030년대에 규모의 경제 확보를 통해 리튬이온 배터리와 제조 비용 등가가 가능할 전망”이라고 말했습니다.

액체 전해질과 고체 전해질 기반의 리튬이온 배터리 비교. 한국자동차연구원 제공.

박한나 기자 park27@dt.co.kr