전고체 배터리 상용화?‥도요타의 반격과 전기차 배터리 시장 전망

'전고체 배터리'는 액체 전해질을 고체로 바꿔 안전성과 성능을 개선한 것으로 '꿈의 배터리'라고 불립니다. 도요타가 2027년 '전고체 배터리'를 탑재한 전기차를 내놓겠다고 선언했습니다. 차세대 배터리 경쟁이 더 치열해질 전망입니다.

 

전고체 배터리는 무엇인가?

'전고체 배터리'는 이온을 전달하는 전해질을 '액체'에서 '고체'로 대체한 것입니다. 액체 전해질은 휘발성이 높은 물질이어서 충격을 받으면 화재가 발생하고 폭발합니다. 또 양극과 음극 사이에 접촉을 막기위한 분리막이 필요합니다. 반면 전해질 액체 대신 고체를 사용하는 전고체 배터리는 구조적으로 단단하고 안정적이며 전해질이 훼손되더라도 형태가 유지되기 때문에 안전합니다. 또 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신해 따로 설치할 필요가 없습니다.

리튬 배터리	▲전해질 '액체' 용매+리튬염+첨가제 ▲분리막 '고체 필름'
전고체 배터리	▲전해질 '고체' 황화물,산화물,풀리머 ▲분리막 '불필요'

'전고체 배터리'가 필요한 이유는 배터리의 용량을 높여야 하기 때문입니다. 배터리의 용량을 늘리려면 개수를 늘리면 되지만 가격과 공간제약 때문에 한계가 있습니다. 리튬이온 배터리에서 14.4V를 내려면 3.6V 전지 4개가 필요한데 전고체 배터리는 하나로도 가능합니다. 이에 따라 분리막, 집전체, 셀외장재(파우치) 등이 감소해 부피가 줄어들고 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다.

이와 관련한 특허를 가장 많이 보유하고 있는 일본 도요타가 4년 뒤인 2027년에 '전고체 배터리'를 탑재한 전기차를 시장에 내놓겠다고 선언했습니다. 10분 충전으로 1,200km를 주행하는 연구를 진행 중이라고 밝혔습니다. 전기차용 배터리보다 전동공구나 가전제품 등에 사용할 소형전지부터 먼저 나올 것이라는 예상을 깬 발표에 큰 관심이 쏠리고 있습니다.

도요타 자동차가 '전고체 배터리' 탑재를 선언했다

'전고체 배터리'의 단점으로 꼽혀온 높은 제조 비용과 실용화를 위한 충분한 충전 가능 횟수를 어떻게 해결했을지 주목됩니다. 고체 전해질의 주재료인 황화 리튬의 가격은 kg에 천만 원으로 기존 리튬 이온 배터리보다 25배나 비싸고 충전 가능 횟수도 실용화 가능 수준인 수천 번 이상에 미치지 못하는 단점을 갖고 있었기 때문입니다. 도요타 측은 좋은 재료가 발견됐다고 설명했습니다. 높은 비용 때문에 실용화 초기 단계에서는 고급 차에 우선 탑재될 가능성이 큰 것으로 보이지만 실용화를 두고 업계의 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 전망됩니다. 참고로 닛산자동차도 2028년까지 전고체 배터리 전기차를 출시한다는 목표를 세웠고 독일 BMW는 2025년 실증 차량을 공개한 뒤 양상에 들어갈 계획입니다.

 

전고체 배터리 실용화‥우리는?

국내에서는 '삼성SDI'가 이 분야에서 가장 앞선 것으로 평가되고 있습니다. 황화물계 전고체 배터리를 개발 중인 것으로 알려지고 있습니다. 조만간 수원연구소에 파일럿 라인을 완공하고 샘플 제작에 착수할 예정입니다. 계획대로 추진된다면 2027년 양산에 들어갈 계획입니다. 'SK온'은 2025년까지 시제품을 개발하고 2028년 사용화를 추진한다는 목표를 갖고 있습니다. 'LG에너지솔루션'은 2026년 개발, 2030년 사용화 계획을 갖고 있습니다. 완성차를 생산하는 현대자동차그룹도 관련 연구에 착수해 자체 기술을 확보할 계획입니다.

	▲2027년 전고체 배터리 양산 돌입
	▲2025년 시제품 개발 ▲2028년 상용화 추진
	▲2030년 황화물계 전고체 배터리 상용화
	▲전고체 배터리, 리튬메탈 배털 기술 내재화

국내 배터리 업체는 6월 14일부터 사흘 간 독일 뮌헨에서 열리는 '인터배터리 유럽 2023'에 참가해 기술력을 선보일 예정입니다.

'인터배터리 유럽 2030'에 참가한 LG에너지솔루션의 홍보부스

 

전기차 배터리 시장 전망은?

 

전문가들은 전고체 배터리가 출시되더라도 나머지 다른 배터리가 사라지지는 않을 것으로 보고 있습니다. 실제로 새로운 배터리가 나왔다고 다른 배터리가 사라진 적은 없습니다. 주로 내연기관 차량에 쓰이는 '납축배터리'는 여전히 유용합니다. 리튬 이온 배터리는 유사한 특성 때문에 전고체 배터리로 대체되고 시장 규모도 줄어들겠지만 단기간이 아니라 상당한 시간이 소요될 것으로 예상됩니다. 차세대 미래 배터리 개발에만 매달릴 수도 없습니다. 전기차 배터리 시장의 주류는 NCM이 차지하고 있고 중국이 주도하는 LFP가 일부를 구성하고 있습니다. 현재로서는 국내 기업은 NCM에 방점을 두고 LFP 관련 기술 동향을 주시하는 정도가 적합합니다.

□ LFP : 리튬,인산, 철을 사용한 배터리. 주요 소재인 철(Fe)과 인(P)이 값싸고 풍부해 가격 이점 있음. 화학구조도 안정적, 발화 폭발 위험 낮고 기술적 난이도도 낮은편

□ NCM : 국내 배터리 3사가 주로 생산하는 리튬 이온 배터리. 니켈 코발트 망간 3개 물질 조합해 '삼원계 배터리'로도 불림 LFP에 비해 에너지밀도 높아 더 진보된 기술로 분류

에너지 전문 시장조사업체인 SNE리서치는 세계 전기차 시장이 2035년에는 지금의 5배, 6,160억 달러(815조 원) 규모로 커질 것으로 전망했습니다. 전고체 배터리는 전체 배터리 시장의 10~13%를 차지할 것으로 예상됐습니다.

구분	2023년	2035년
전기차 배터리 수요	687GWh	5.3TWh *1TWh=1천GWh
시장규모	1,210억 달러	6,160억 달러(815조)

 

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