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전고체 배터리: 전기차 배터리 안전성의 혁신

일일 보고서 2024년 09월 06일
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목차

  1. 요약
  2. 전고체 배터리 개요와 기술적 특성
  3. 전고체 배터리의 상용화 현황과 도전 과제
  4. 전고체 배터리의 연구개발 동향
  5. 글로벌 경쟁 구도
  6. 결론

1. 요약

  • 이 리포트는 전고체 배터리 기술의 개요와 주요 특성, 상용화 현황과 관련된 도전 과제, 그리고 연구개발 동향과 글로벌 경쟁 구도를 중점적으로 다루고 있습니다. 전고체 배터리는 기존의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하여 열적 안정성과 안전성을 높이는 기술로, 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 주요 기업들이 연구개발에 활발히 참여하고 있습니다. 주요 장점으로는 높은 에너지 밀도와 안정성을 들 수 있으며, 한국, 중국, 일본 등 여러 나라가 전고체 배터리의 상용화와 시장 선점을 위해 치열하게 경쟁하고 있습니다. 이 리포트는 전고체 배터리의 구조 및 작동 원리, 상용화 전망, 그리고 각국의 연구개발 및 정부 지원 정책 등을 다루며, 관련된 기업들과 연구기관들의 계획과 목표를 설명하고 있습니다.

2. 전고체 배터리 개요와 기술적 특성

  • 2-1. 전고체 배터리란 무엇인가?

  • 전고체 배터리는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 차세대 배터리입니다. 전고체 배터리는 양극과 음극을 고체 전해질이 분리하여, 기존의 액체 전해질보다 열적 안정성이 높은 특성을 가지고 있습니다. 이로 인해 전고체 배터리는 전기차 화재의 주요 원인으로 알려진 단락에 의한 열폭주 가능성을 낮추는 것으로 기대되고 있습니다. 현재 공개된 자료에 따르면, 전고체 배터리는 삼성 SDI와 LG 에너지솔루션, SK 온 등의 국내 기업들이 상용화를 목표로 연구개발에 박차를 가하고 있는 기술입니다.

  • 2-2. 전고체 배터리의 구조와 작동 원리

  • 전고체 배터리는 고체 전해질이 양극과 음극을 분리하며 작동합니다. 이 구조는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 안전성이 높습니다. 고체 전해질의 특성으로 인해 외부 충격에 대한 저항성이 증가하고, 전해질 누출로 인한 폭발 위험이 줄어듭니다. 특히, 황화물계 전해질은 높은 이온 전도도를 가지고 있어 에너지 밀도를 높일 수 있는 가능성이 있습니다. 하지만 황화물은 수분과 반응하여 분해되며, 이로 인해 유독가스를 발생시키는 단점이 있습니다.

  • 2-3. 전고체 배터리의 주요 장점

  • 전고체 배터리의 주요 장점은 우수한 안정성과 높은 에너지 밀도입니다. 고체 전해질을 사용함으로써 액체 전해질의 화재 위험을 줄이고, 외부 충격 및 고온 환경에서도 안정적입니다. 자료에 따르면, 삼성 SDI는 2027년부터 전고체 배터리의 양산을 계획하고 있으며, LG 에너지솔루션은 2030년에 고분자계와 황화물계 전고체배터리를 각각 상용화할 예정입니다. 이와 유사한 목표를 가지고 SK 온도 2028년 상용화를 추진하고 있습니다.

3. 전고체 배터리의 상용화 현황과 도전 과제

  • 3-1. 전고체 배터리의 상용화를 위한 주요 기업들의 계획

  • 전고체 배터리는 전기차 화재 안전성을 높이기 위한 차세대 배터리로 인식되고 있습니다. 삼성 SDI는 2027년, LG에너지솔루션은 2026년, SK온은 2028년에 각각 전고체 배터리를 양산할 계획입니다. 특히 삼성 SDI는 전고체 전지 계열 중 황화물계 전고체 배터리를 상용화할 방침으로, 지난해 연구소 내에 전고체 배터리 파일럿 라인인 'S라인'을 준공하고 시제품을 생산하여 고객사에 샘플을 공급하고 있습니다. LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 동시에 연구하고 있으며, 리터당 650Wh의 고분자 전고체 배터리를 2026년에 상용화할 예정입니다. SK온은 차세대 배터리로 황화물계 고체 배터리 파일럿 라인을 2025년까지 구축하고, 2029년 양산 목표를 세우고 있습니다.

  • 3-2. 상용화의 주요 도전 과제 및 해결 방안

  • 전고체 배터리의 상용화에는 몇 가지 도전 과제가 있습니다. 첫째, 고체 전해질의 생산비용이 기존 액체 전해질보다 상당히 비쌉니다. 특히, 황화물계 전해질의 경우 공정 과정이 복잡하여 300배 이상의 비싼 비용이 발생합니다. 둘째, 고체 전해질의 수분 반응성과 외부 충격에 대한 내구성 문제가 존재합니다. 고체 전해질은 공기와 접촉 시 분해되며, 충격으로 인해 균열이 갈 경우 전극 간 분리가 완벽하지 않다는 우려가 있습니다. 이러한 문제들의 해결 방안으로는 연구개발을 통한 생산 공정 개선 및 비용 절감을 위한 투자와 협력이 필요합니다.

  • 3-3. 범용 상용화 시기의 전망

  • 현재로서 전고체 배터리의 범용 상용화 시기는 2030년 이후로 예상되고 있습니다. 업계에서는 초기 상용화된 전고체 배터리가 프리미엄 차량에 탑재될 가능성이 높은 상황입니다. 전고체 배터리의 양산이 진행되더라도 단가 문제로 인해 대량 생산까지는 시간이 걸릴 것으로 나타났습니다. 또한, 전고체 배터리와 기존 리튬이온배터리의 혼용 도입 가능성 또한 제기되고 있어, 결국 범용 상용화에 대한 확실한 시점은 불확실한 상태입니다.

4. 전고체 배터리의 연구개발 동향

  • 4-1. 국내 주요 기업들의 R&D 현황

  • 국내에서 LG에너지솔루션, 현대차, 한화에어로스페이스 등 주요 기업들이 정부의 지원을 받아 전고체 배터리 개발에 나섰습니다. 이들은 업계 최고 에너지 밀도를 가진 전고체 배터리 기술 확보를 목표로 하고 있습니다. 산업통상자원부는 2028년까지 330억원을 투입하여 전기자동차용 900Wh/L급 황화물계 전고체 배터리 개발 과제 참여기관을 선정하였으며, 대·중소기업들이 참여하고 있습니다. 배터리 생태계 개선을 위한 산·학·연 협력이 추진되고 있으며, LG에너지솔루션과 현대차는 연구 성과의 상용화 가능성을 타진하기 위해 실증을 진행할 예정입니다.

  • 4-2. 전고체 배터리 소재 개발 성과

  • 전고체 배터리는 안전성 및 에너지 밀도가 높아 잠재 수요가 무궁무진하다는 평가를 받고 있습니다. 전고체 배터리는 에너지 밀도를 두 배가량 향상시킬 수 있으며, 액체 전해질에 비해 화재 및 폭발 위험이 낮습니다. 삼성SDI는 2027년 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있으며, SK온은 2028년까지 고분자·산화물 복합계 전고체 배터리 양산을 계획하고 있습니다. 또한 LG에너지솔루션은 2030년까지 황화물계 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있어, 각사가 전고체 배터리 시장 선점을 위한 경쟁이 치열해지고 있습니다.

  • 4-3. 산학연 협력과 정부의 지원

  • 한국 정부는 전고체 배터리 개발을 위해 330억원의 예산을 투입하며, 다양한 기관과 기업들이 협력하고 있습니다. 정부의 지원 아래, 한국전자기술연구원, 한국전자통신연구원, 한국에너지기술연구원 등 연구기관들이 참여하여 전고체 배터리의 소재 및 상용화를 위한 연구개발을 진행하고 있습니다. 중국은 전고체 배터리 생산 및 공급망 구축을 2030년까지 완료하기 위해 관련 플랫폼을 출범시키고 막대한 투자를 하고 있으며, 이러한 경쟁 속에서 한국의 연구개발 또한 더욱 가속화되고 있습니다.

5. 글로벌 경쟁 구도

  • 5-1. 한국, 중국, 일본의 전고체 배터리 상용화 경쟁

  • 현재 전고체 배터리는 전기차 화재 문제 해결에 주목받고 있으며, 한국, 중국, 일본의 주요 배터리 기업들이 상용화 경쟁을 벌이고 있습니다. 한국의 삼성SDI는 2027년, SK온은 2028년, LG에너지솔루션은 2030년까지 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있습니다. 특히 LG에너지솔루션은 900Wh/L급 황화물계 전고체 배터리 개발에 집중하고 있으며, 정부의 지원을 받아 관련 연구개발을 진행하고 있습니다. 일본과 중국 역시 각각의 기술적 특성을 바탕으로 전고체 배터리 시장의 선점을 위해 노력하고 있습니다.

  • 5-2. 중국의 전고체 배터리 연구 및 시장 점유 전략

  • 중국은 전고체 배터리의 생산과 공급망 구축을 2030년까지 완료하겠다는 목표를 세웠습니다. 이를 위해 약 60억 위안(한화 약 1조1392억원)을 투자하여 전고체 배터리의 연구개발을 지원하고 있습니다. 또한 중국 정부는 전고체 배터리 산학연 협동 혁신 플랫폼(CASIP)을 출범시켜, 다양한 연구기관과 기업의 협력을 통해 기술 개발과 상용화를 가속화하고 있습니다.

  • 5-3. 일본의 전고체 배터리 기술 개발 현황

  • 일본은 전고체 배터리 기술 개발에서도 중요한 역할을 하고 있습니다. 일본의 주요 기업들은 전고체 배터리의 안전성과 에너지 밀도 면에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있도록 다양한 연구개발을 수행하고 있습니다. 일본의 기업들은 특히 안전성을 강조하며, 전고체 배터리가 일반 리튬이온 배터리에 비해 화재 및 폭발 위험이 낮다는 점에 주목하고 있습니다.

6. 결론

  • 이번 리포트는 전고체 배터리가 전기차 배터리 안전성을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 유망한 기술임을 강조합니다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 주요 기업들의 주도 하에 향후 몇 년 동안 전고체 배터리의 상용화가 이루어질 것으로 기대됩니다. 특히 고체 전해질의 열적 안정성과 높은 에너지 밀도는 전고체 배터리가 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 뛰어난 성능을 발휘하게 할 것입니다. 하지만 고체 전해질의 높은 생산비용과 내구성 문제 등 상용화에 따른 도전 과제가 여전히 존재합니다. 이를 해결하기 위해 연구개발과 투자가 지속적으로 필요하며, 협업을 통한 공정 개선도 요구됩니다. 향후 전고체 배터리가 차세대 전기차 시장의 주요 배터리 기술로 자리잡고, 전기차의 안전성과 효율성을 크게 개선할 것으로 전망됩니다. 글로벌 경쟁 구도에서도 한국, 중국, 일본 등이 치열하게 경쟁하고 있으며, 각국의 정부 지원 정책이 이를 가속화할 것으로 보입니다. 이러한 혁신적인 기술 발전이 실제 전기차 산업에 어떻게 적용될 지에 대한 지속적인 관심과 연구가 필요합니다.

7. 용어집

  • 7-1. 삼성SDI [회사]

  • 삼성SDI는 한국의 대표적인 배터리 제조 기업으로, 전고체 배터리 분야에서 선도적인 역할을 하고 있습니다. 2027년 전고체 배터리 상용화를 목표로 하고 있으며, 다양한 프로젝트와 연구개발을 통해 전고체 배터리의 고성능 및 안전성을 입증하고 있습니다.

  • 7-2. LG에너지솔루션 [회사]

  • LG에너지솔루션은 글로벌 배터리 시장에서 주요 플레이어 중 하나로, 전고체 배터리 개발에도 적극 참여하고 있습니다. 2030년까지 전고체 배터리 상용화를 목표로 하고 있으며, 산학연 협력을 통해 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다.

  • 7-3. SK온 [회사]

  • SK온은 전고체 배터리 기술 개발을 위해 적극적으로 투자하고 있는 기업입니다. 2029년 전고체 배터리 상용화를 목표로 하고 있으며, 파일럿 라인 구축 및 소재 개발 등을 통해 기술적 경쟁력을 강화하고 있습니다.

8. 출처 문서