전고체 배터리: 미래의 에너지 혁신

1. 요약

• 전고체 배터리는 미래의 배터리 기술로, 리튬이온 배터리보다 안전성과 에너지 밀도를 크게 개선한 혁신적인 제품으로 평가받고 있습니다. 이 리포트에서는 한국의 주요 배터리 기업인 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온이 전고체 배터리의 상용화와 기술적 특성을 어떻게 발전시키고 있는지를 다룹니다. 이 기업들은 2027년을 시작으로 전고체 배터리의 양산을 목표로 하고 있으며, 황화물계 전고체 배터리에 대한 연구와 투자에 집중하는 한편, 각각의 기술적 도전과 기회를 분석하고 있습니다. 전고체 배터리의 에너지 밀도와 안전성은 높은 평가를 받지만, 제조 비용과 이온전도도 같은 기술적 과제를 해결해야 합니다. 이들 기업의 전략적 움직임은 전고체 배터리가 전기차 및 다양한 에너지 저장 시스템에서 핵심 역할을 할 수 있는 가능성을 제시합니다.

2. 전고체 배터리의 기술적 특성

• 2-1. 전고체 배터리의 구조와 작동 원리

• 전고체 배터리는 모든 소재가 고체로 구성된 배터리로, 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체한 구조를 가지고 있습니다. 이로 인해 고체 전해질은 액체 대비 충격 및 훼손 등에 강하며, 칸막이 역할을 하여 분리막을 최소화하거나 제외할 수 있습니다. 이러한 특징으로 인해 배터리의 무게를 경량화하거나 남는 공간에 양극 활물질을 추가함으로써 에너지 밀도를 높이는 것이 가능합니다. 전고체 배터리는 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있는데, 첫째는 황화물계(Sulfide), 둘째는 산화물계(Oxide), 셋째는 폴리머계(Polymer)로 구분됩니다. 현재 업계에서는 이온전도도가 가장 높은 황화물계 고체 전해질에 대한 연구 및 투자에 집중하고 있는 상황입니다.

• 2-2. 전고체 배터리의 장점 및 단점

• 전고체 배터리는 리튬이온 배터리 대비 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공하는 '꿈의 배터리'로 주목받고 있습니다. 특히, 황화물계 전고체 배터리는 ℓ당 900Wh 이상의 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 장점이 있습니다. 그러나, 황화물계는 수분과의 반응으로 독성물질인 황화수소가 발생할 수 있어 제조 난이도가 높고 안정성 문제의 해결이 필요합니다. 산화물계는 이온전도도가 양호하지만, 제조 공정에서 1000℃ 이상의 고온 열처리가 필요하다는 단점이 존재하며, 폴리머계는 기존 액체 전해질 제조 공정과 유사하여 원가 절감의 가능성은 있으나 이온전도도가 낮다는 한계가 있습니다.

• 2-3. 전고체 배터리의 주요 유형

• 전고체 배터리는 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계의 세 가지 주요 유형으로 구분됩니다. 황화물계는 높은 이온전도도를 보유하고 있어 가장 큰 잠재력을 가지고 있는 유형으로 여겨지고 있습니다. 산화물계는 안전성이 뛰어나지만 높은 열처리가 필요하며, 폴리머계는 제조 원가를 절감할 수 있는 장점이 있으나 이온전도도가 낮아 한계가 있습니다. 각 유형의 특성에 따라 전고체 배터리의 성능과 상용화 가능성이 다르게 나타나며, 이로 인해 업계의 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다.

3. 한국 배터리 기업의 전고체 배터리 개발 현황

• 3-1. 삼성SDI의 전고체 배터리 개발 전략

• 삼성SDI는 전고체 배터리 개발에 집중하고 있으며, 2027년부터 본격적인 양산에 돌입할 계획입니다. 최근 삼성SDI는 전고체 배터리의 파일럿 라인 'S라인'을 준공하였고, 시제품 생산을 시작하였습니다. 이 파일럿 라인에서는 고객사에 샘플을 공급하며 양산 관련 협력도 진행 중입니다. 삼성SDI는 높은 이온전도와 양산 적합성을 갖춘 황화물계 전고체 배터리를 상용화할 방침입니다. 또한, 삼성SDI 부사장은 전고체 샘플 단계에서 개발 로드맵상 계획했던 성능 수준을 확보한 상황이라며, 고객들의 긍정적인 피드백을 받았다고 밝혔습니다. 하반기에는 생산 공법 확정과 초기 시설 투자도 진행할 예정입니다.

• 3-2. LG에너지솔루션의 전고체 배터리 개발 목표

• LG에너지솔루션은 시장에서 가장 먼저 전고체 배터리 개발에 착수하였으며, 고분자계와 황화물계 전고체 전지를 동시에 연구하고 있습니다. 회사는 2026년까지 리터당 650Wh의 고분자 전고체 배터리를 상용화할 계획이며, 에너지 밀도를 두 배로 끌어올린 900Wh 이상의 황화물 전고체 배터리의 양산을 2030년으로 목표하고 있습니다. 이들은 에너지 밀도가 높고 안전성이 뛰어나 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있습니다.

• 3-3. SK온의 전고체 배터리 연구 및 양산 계획

• SK온은 국내 배터리 3사 중 하나로, 전고체 배터리 분야에서 고분자-복합계와 황화물계 전고체 배터리를 개발하고 있습니다. SK온은 총 4700억원을 투자하여 새로운 배터리 연구 개발 시설과 품질 관리 센터를 신설할 계획입니다. 이 파일럿 라인이 구축되는 내년에는 초기 단계의 전고체 배터리 시제품을 생산하고, 2028년에는 상용화를 목표로 하고 있습니다. SK온은 에너지 밀도를 930Wh까지 높여주행 거리를 획기적으로 개선한 황화물 전고체 배터리를 공급할 예정입니다.

4. 전고체 배터리의 상용화 전망

• 4-1. 전고체 배터리 상용화 시점

• 국내 주요 배터리 기업인 삼성SDI는 2027년부터 전고체 배터리를 본격 양산할 계획입니다. 삼성SDI는 2022년 SDI연구소 내에 전고체 배터리 파일럿 라인 'S라인'을 준공하고 시제품을 생산하였습니다. SK온은 2026년 초기 단계의 전고체 배터리 시제품을 생산하여 2028년 상용화를 목표로 하고 있으며, LG에너지솔루션은 리터당 650Wh의 고분자 전고체 배터리를 2026년에 상용화할 예정입니다.

• 4-2. 전고체 배터리의 시장 경쟁력

• 전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 안전성이 뛰어나며, 에너지 밀도가 높아 시장에서 경쟁력을 갖추고 있습니다. 삼성SDI는 황화물계 전고체 배터리의 상용화를 통해 높은 이온전도와 양산 적합성을 강조하며, SK온은 에너지 밀도를 930Wh로 높인 황화물 전고체 배터리의 차세대 완성차 공급을 계획하고 있습니다. 전고체 배터리는 전기차 배터리 시장의 판도를 바꿀 '게임체인저'로 평가받고 있습니다.

• 4-3. 전고체 배터리의 안전성 문제

• 전고체 배터리는 액체 상태의 유기성 전해질을 사용하지 않아 화재 위험을 낮출 수 있는 장점이 있지만, 여전히 안전성에 대한 연구가 필요합니다. 최근 전기차 화재 사고로 인해 배터리 안정성에 대한 논란이 일고 있으며, 이에 따라 국내 배터리 3사는 전고체 배터리의 안전성을 더욱 강화하기 위한 기술 개발에 집중하고 있습니다.

5. 전고체 배터리 시장의 글로벌 경쟁

• 5-1. 한국, 중국, 일본의 전고체 배터리 경쟁 현황

• 한국의 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온과 중국의 CATL, BYD, 칭타오에너지, 웨이란신에너지가 전고체 배터리 시장에서 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 최근 전기차 화재로 배터리 안전성이 대두되면서, 전고체 배터리가 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다. 특히, LG에너지솔루션은 반고체 배터리를 개발하여 상용화를 통해 시장 점유율을 강화하고자 하고 있으며, 삼성SDI는 2027년부터 전고체 배터리의 본격 양산에 들어갈 계획입니다. SK온 역시 차세대 배터리 개발을 위한 대규모 투자를 진행하며 경쟁력을 강화하고 있습니다. SNE리서치의 예측에 따르면, 전고체 배터리의 시장 침투율은 2025년 0.6%에서 2035년 9.6%로 증가할 전망입니다.

• 5-2. 전고체 배터리의 이점과 시장 점유율

• 전고체 배터리는 높은 에너지 밀도와 우수한 안전성을 갖추어 리튬이온 배터리보다 많은 장점을 제공합니다. 특히, 황화물계 전고체 배터리는 대체로 기존 배터리보다 100배 비쌀 것으로 예상되지만, 이론적으로는 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있습니다. 반면, 같은 기간 동안 전고체 배터리가 상용화될 경우 가격 문제로 인해 대중화가 일어날 수 있는 시점이 지연될 것이라는 우려가 존재합니다. 현재, 전고체 배터리와 함께 반고체 배터리가 경쟁력을 지니게 될 것이라는 전망도 나오고 있는 상황입니다.

• 5-3. 전고체 배터리의 발전 방향

• 한국의 배터리 기업들은 전고체 배터리 개발과 함께 반고체 배터리 기술도 주목하고 있습니다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온은 각각의 기술 개발에 투자하고 있으며, 이들이 목표로 하는 양산 시점인 2027년과 2028년까지 기술적 문제들을 해결해야 할 필요가 있습니다. 현재 전고체 배터리는 리튬이온 배터리의 안정성 문제를 해결할 수 있는 잠재력이 있지만 실질적인 시장 점유율은 낮은 상황입니다. 이러한 문제 해결을 위한 기술 개발이 절실히 요구되며, 한국 배터리 기업들은 지속적인 혁신과 연구개발을 통해 글로벌 시장에서 경쟁력을 유지하기 위해 힘쓰고 있습니다.

결론

• 전고체 배터리는 전기차와 에너지 저장 부문의 미래를 바꿀 잠재력을 가지고 있으며, 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온은 이 기술의 상용화를 위해 지속적으로 노력하고 있습니다. 각각의 기업은 높은 에너지 밀도와 안전성을 겸비한 전고체 배터리를 개발 중이며, 2027년부터 양산을 시작할 계획입니다. 특히 삼성SDI는 파일럿 라인을 통해 샘플 생산을 시작하여 긍정적인 고객 피드백을 받고 있습니다. 그러나 전고체 배터리의 높은 제조 비용과 이온전도도 문제는 여전히 해결해야 할 과제입니다. 향후, 이 문제들이 해결된다면, 전고체 배터리는 전기차 및 다른 에너지 시스템에 혁신적인 변화를 가져올 것이며, 한국의 기업들은 글로벌 시장 경쟁에서 우위를 점하기 위해 지속적인 기술 혁신과 연구개발이 필요할 것입니다. 전고체 배터리와 반고체 배터리 기술의 동시 개발은 시장에서 차별화된 경쟁력을 제공할 수 있을 것입니다.

용어집

• 전고체 배터리 [기술]: 전고체 배터리는 모든 구성 요소가 고체로 이루어진 배터리로, 액체 전해질이 없어 안전성이 높고 에너지 밀도가 우수한 특성을 지닌다. 특히, 전고체 배터리는 전기차와 같은 고전력 응용 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 한국, 일본, 중국의 배터리 기업들이 개발에 집중하고 있다.

• 삼성SDI [회사]: 삼성SDI는 전고체 배터리 개발에 있어 선두주자로, 2027년 양산을 목표로 하고 있다. 파일럿 라인을 구축하여 샘플 생산을 시작했으며, 고객사들에게 긍정적인 피드백을 받고 있다.

• LG에너지솔루션 [회사]: LG에너지솔루션은 전고체 배터리 개발을 통해 차세대 배터리 시장에서의 경쟁력을 강화하고 있다. 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 동시에 연구하고 있으며, 2026년 상용화를 목표로 하고 있다.

• SK온 [회사]: SK온은 전고체 배터리의 개발 및 양산을 추진하고 있으며, 2028년까지 고분자 및 황화물계 전고체 배터리를 상용화할 계획이다. 차세대 배터리 기술 개발에 지속적으로 투자하고 있다.

출처 문서

• ��湲곗감 ���ъ�� �����쇰� ���ㅻⅤ�� ��怨�泥� 諛고�곕━, �� ��轅��� 諛고�곕━���쇨�https://www.viva100.com/20240901010008452
• LG에너지솔루션·삼성SDI·SK온, '3가지 미래 먹거리' 키운다https://www.news2day.co.kr/article/20230316500063
• "제2의 에코프로 찾아라" 전고체 시대의 밸류체인https://v.daum.net/v/20240312173022646?x_trkm=t
• "전고체 배터리는 너무 먼 얘기"…반고체, 대세로 자리 잡나https://www.m-i.kr/news/articleView.html?idxno=1153793
• "화재 위험 적어야 경쟁력"… K배터리, 전고체배터리 잰걸음https://www.pinpointnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=282738