전고체 배터리: 차세대 전기차 배터리의 안전성과 상용화 전망

1. 요약

• 이 리포트는 전기차의 화재 문제를 해결할 차세대 배터리로 주목받고 있는 전고체 배터리의 기술적 특성과 상용화 전망을 다룹니다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리 대비 높은 안정성과 효율성을 자랑하며, 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등의 기업들이 기술 개발을 진행 중입니다. 리포트는 각각의 기업이 목표하고 있는 상용화 시점과 기술적 도전 과제를 분석합니다. 예를 들어 삼성SDI는 2027년 상용화를 목표로 하고 있으며, LG에너지솔루션과 SK온은 각각 2030년과 2028년을 목표로 하고 있습니다. 그러나 기술적 안정성과 비용 문제는 전고체 배터리의 상용화에 중요한 도전 과제로 남아있습니다.

2. 전고체 배터리 기술 개요

• 2-1. 전고체 배터리의 정의

• 전고체 배터리는 양극과 음극 사이의 액체 전해질을 고체로 대체한 차세대 배터리입니다. 고체 전해질은 양극과 음극을 분리해주는 역할을 하며, 기존의 분리막보다 열적 안정성이 높아 고온에서도 잘 녹지 않는 특징이 있습니다.

• 2-2. 전고체 배터리의 장단점

• 전고체 배터리는 현재 전기차에서의 화재 주요 원인으로 지목받고 있는 단락에 의한 열폭주 가능성을 현저히 낮출 수 있는 장점이 있습니다. 이에 따라 안전성이 높아 '꿈의 배터리'라고 불리기도 합니다. 그러나 황화물계 전해질 특성상 수분과 반응하여 분해되고 유독가스를 방출하는 단점이 존재하며, 외부 충격으로 인한 균열 발생 시 전극 간 분리가 완벽하게 이루어지지 않을 수 있는 위험이 내포되어 있습니다.

• 2-3. 전고체 배터리와 리튬이온 배터리 비교

• 전고체 배터리는 리튬이온 배터리 대비 안정성과 에너지 밀도에서 뛰어난 성능을 나타내고 있습니다. 특히 전고체 배터리는 리튬이온배터리에서의 화재 위험을 줄여줄 수 있는 대안으로 부각되고 있습니다. 삼성SDI는 2027년에 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있으며, LG에너지솔루션과 SK온도 각각 2026년과 2028년 상용화를 계획하고 있습니다. 하지만 아직 상용화된 전고체 배터리는 존재하지 않으며, 기존 배터리의 열폭주 원인 규명도 최근에야 밝혀지고 있는 상태입니다.

3. 국내 배터리 업체의 전고체 배터리 개발 현황

• 3-1. 삼성SDI의 전고체 배터리 기술

• 삼성SDI는 전고체 배터리 분야에서 선두주자로 평가받고 있으며, 2027년부터 본격적인 양산을 목표로 하고 있습니다. 이 회사는 높은 이온전도성과 양산 적합성을 자랑하는 황화물계 전고체 배터리를 상용화할 계획입니다. 지난해에는 전고체 배터리의 파일럿 라인인 'S라인'을 구축하고, 시제품을 생산하였습니다. 이 과정에서 일부 고객사에 샘플을 공급하였으며, 최근 '인터배터리 2024' 전시회에서는 900Wh/L의 높은 에너지 밀도를 가지는 전고체 배터리 양산 준비 로드맵을 공개했습니다. 손미카엘 부사장은 현재 전고체 샘플 단계에서 모든 개발 로드맵에서 계획한 성능 수준을 확보했다고 밝혔습니다.

• 3-2. LG에너지솔루션의 전고체 배터리 개발

• LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계 전고체 전지를 동시에 연구하고 있으며, 2026년에는 리터당 650Wh의 고분자 전고체 배터리를 상용화할 계획입니다. 또한, 에너지 밀도를 두 배 끌어올린 황화물 전고체 배터리의 경우 2030년 양산을 목표로 하고 있습니다. LG에너지솔루션은 기존 리튬이온 배터리 대비 안전성이 높은 전고체 배터리를 개발하여 전기차 배터리 시장에서 경쟁력을 확대할 계획입니다.

• 3-3. SK온의 전고체 배터리 상용화 계획

• SK온은 차세대 배터리 개발을 위해 대전 배터리 연구원에 총 4700억원을 투자하여 파일럿 플랜트와 글로벌 품질 관리센터를 구축할 예정입니다. 이에 따라 2026년에는 초기 단계의 전고체 배터리 시제품을 생산하고, 2028년에는 상용화를 목표로 하고 있습니다. SK온은 황화물 전고체 배터리의 에너지 밀도를 930Wh으로 끌어올려 주행 거리를 획기적으로 개선하려고 하고 있습니다. 이 외에도, SK온은 미국의 솔리드파워와 협력하여 전고체 배터리 개발을 가속화하고 있습니다.

4. 전고체 배터리 상용화의 도전 과제

• 4-1. 양산 공법과 비용 문제

• 전고체 배터리의 양산 공법과 비용 문제는 상용화의 주요 도전 과제로 identified 됩니다. 국내 배터리 업체들은 황화물계 전해질을 사용하는 고체 전해질 배터리의 개발을 진행하고 있으며, 삼성SDI는 2027년부터 전고체 배터리를 양산할 계획입니다. 그러나 황화물계 전해질은 공정 과정이 매우 까다로워 비용이 기존 액체 전해질과 분리막보다 300배 이상 비쌉니다. 이에 따라 삼성SDI는 슈퍼프리미엄급 전기차 제품군에만 전고체 배터리를 우선 도입할 계획이라고 밝혔습니다.

• 4-2. 전고체 배터리의 시장적용 한계

• 전고체 배터리는 현재 전기차 화재 안전 해결책으로 주목받고 있지만, 시장적용에는 몇 가지 한계가 존재합니다. 기존 배터리의 열폭주 원인은 최근에서야 연구 결과가 나오고 있으며, 전고체 배터리 또한 상용화된 적이 없기 때문에 불확실성이 남아있습니다. 또한, 전고체 배터리는 리튬 이온이 고체 격차 사이를 이동해야 하므로 액체 전해질 대비 이온전도도가 떨어져 출력 저하의 우려가 있습니다.

• 4-3. 기술적 안정성과 데이터 축적 필요성

• 전고체 배터리가 상용화되기 위해서는 기술적 안정성과 데이터 축적이 반드시 필요합니다. 현재 리튬이온배터리도 안정적으로 자리 잡기까지 30년이 걸린 경험을 바탕으로 볼 때, 전고체 배터리 역시 데이터가 쌓히고 안정화되기까지 많은 시간이 필요하다는 의견이 지배적입니다. 배터리 R&D 관계자는 전고체 배터리의 범용 상용화가 아직 멀었다고 언급하고 있습니다.

5. 글로벌 전고체 배터리 시장 동향

• 5-1. 한국, 중국, 일본의 전고체 배터리 경쟁

• 한국, 중국, 일본의 주요 배터리 제조업체들이 전고체 배터리 상용화에 박차를 가하고 있습니다. 삼성SDI는 2027년 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있으며, LG에너지솔루션은 2030년까지 황화물계 전고체 배터리를 양산할 계획입니다. SK온은 2028년까지 고분자·산화물 복합계 전고체 배터리의 양산을 목표로 하고 있습니다. 이와 같은 기술 개발은 전기차 화재 문제를 해결하고 안전성을 높이기 위한 노력이 일환입니다. 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 두 배 정도 높아 안전성이 뛰어난 차세대 배터리로 평가받고 있습니다.

• 5-2. 전고체 배터리 글로벌 시장 전망

• 전고체 배터리는 전기차 화재의 주요 원인을 해결하는 대안으로 주목받고 있습니다. 저온과 고온 환경에서도 우수한 성능을 보이며, 고열에서도 열 폭주 가능성이 낮기 때문에 '화재 위험성이 적은 배터리'로 인식되고 있습니다. 그러나 황화물계 전해질이 수분과의 반응성이 크고 유독가스를 배출하는 문제가 있어 상용화에는 시간과 기술적 도전이 필요합니다. 이런 점에서 학계에서는 전고체 배터리의 범용 상용화를 2030년 이후로 예상하고 있으며, 초기에는 프리미엄급 전기차 모델에 한정적으로 도입될 것으로 보입니다.

• 5-3. 국내외 배터리 업체들의 협력과 경쟁 상황

• 국내 배터리 3사인 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온은 전고체 배터리의 기술 개발과 상용화에 경쟁하고 있습니다. 삼성SDI는 샘플 공급을 확대하고 있으며, 고객사로부터 긍정적인 피드백을 받고 있습니다. LG에너지솔루션은 황화물계 전고체 배터리를 2030년까지 양산할 계획에 있으나, 고비용과 기술적 한계가 상용화에는 장애 요소가 되고 있습니다. SK온은 인터배터리 2024에서 고분자복합계 전고체 배터리를 첫 공개하면서 경쟁력을 높이고 있습니다.

6. 결론

• 전고체 배터리는 리튬이온 배터리가 가진 단점을 극복할 수 있는 차세대 배터리로 주목받고 있으며, 이에 따라 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등의 국내 주요 배터리 업체들이 기술 개발과 상용화 계획을 발표하고 있습니다. 특히 전고체 배터리는 높은 열적 안정성과 에너지 밀도 덕분에 전기차 화재 문제를 해결할 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 상용화 과정에서 고비용, 기술적 안정성 부족 등 여러 도전 과제들이 존재합니다. 이러한 과제들을 해결하기 위해서는 꾸준한 기술 개선과 데이터 축적이 필요합니다. 미래에는 전고체 배터리가 전기차 시장에서의 경쟁력을 높이는 주요 요인이 될 것으로 예상되며, 이를 통해 전기차 시장의 판도를 바꾸는 '게임체인저'가 될 가능성이 큽니다. 그러나 리포트는 초기 단계에서는 주로 프리미엄급 전기차에 한정적으로 적용될 것이라고 전망합니다.

7. 용어집

• 7-1. 전고체 배터리 [기술]

• 기존 리튬이온 배터리와 달리 양극과 음극 사이의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리. 높은 안정성과 효율성을 자랑하며, 화재 위험을 줄일 수 있어 차세대 전기차 배터리로 주목받고 있음.

• 7-2. 삼성SDI [회사]

• 삼성그룹의 배터리 제조 계열사로, 전고체 배터리 개발 및 상용화에 앞장서고 있음. 2027년 전고체 배터리 양산 목표.

• 7-3. LG에너지솔루션 [회사]

• LG그룹의 배터리 제조 계열사로, 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 동시에 연구 중이며 2030년 양산 목표.

• 7-4. SK온 [회사]

• SK그룹의 배터리 제조 계열사로, 2029년을 목표로 전고체 배터리 상용화를 추진 중.

8. 출처 문서

• ‘전고체 배터리’ 전기차, 화재 막을 수 있을까…車업계 선제대응 집중https://it.chosun.com/news/articleView.html?idxno=2023092121885
• "화재 위험 적어야 경쟁력"… K배터리, 전고체배터리 잰걸음 < 산업일반 < 산업 < 기사본문 - 핀포인트뉴스https://www.pinpointnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=282738
• 차세대 배터리는 '이것'… K-배터리, 46시리즈·전고체 양산 속도전 < 산업일반 < 산업 < 기사본문 - 핀포인트뉴스https://www.pinpointnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=280507
• 불 안나는 '전고체 배터리'에 쏠린 시선 - 매일일보https://www.m-i.kr/news/articleView.html?idxno=1150995
• 전기차 화재에 '전고체 배터리' 주목…韓·中·日 상용화 격돌 < 전자/전기 < 산업 < 기사본문 - 뉴스웍스https://www.newsworks.co.kr/news/articleView.html?idxno=764388