전고체와 반고체 배터리: 미래 전기차 시장을 이끌 기술 경쟁의 핵심

1. 요약

• 전고체 배터리와 반고체 배터리는 차세대 배터리 기술로 주목받으며, 전기차의 안전성과 효율성을 극대화하는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 이용하여 화재 위험을 크게 낮추며, 높은 에너지 밀도를 제공하여 전기차의 주행 거리를 늘리는 데 기여한다. 이러한 특성 덕분에 전고체 배터리는 사용자에게 더 큰 안전성을 제공하며, 긴 사이클 수명으로 경제적인 이점을 안긴다. 반고체 배터리는 액체와 고체 전해질의 독특한 조합으로 인해 안전성을 더욱 강화하며, 전고체 배터리에 비해 더 저렴한 제조 비용을 가지고 있어, 대중화 가능성이 높아지고 있다. 특히 반고체 배터리는 전고체 배터리가 상용화되기 전의 중간 단계로 인식되고 있으며, 2035년까지의 시장 전망에 따르면 반고체 배터리의 시장 침투율은 최대 9.6%에 이를 것으로 분석된다.

• 상황이 이러한 만큼 한국의 주요 배터리 제조사들은 전고체 및 반고체 배터리의 상용화를 위해 연구개발에 적극 투자하고 있다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등은 고유의 기술 로드맵을 가지고 있으며, 각각 2027년 상용화를 목표로 하고 있다. 반면, 전고체 배터리는 여전히 일부 기술적 난제가 상존하여 상용화에 한계를 보이고 있다. 이로 인해 반고체 배터리가 실질적 대안으로 부각되고 있다. 이러한 두 가지 기술 compete가 배터리 시장의 동향을 어떻게 변화시킬지, 그리고 전기차 산업의 판도를 어떻게 재편할 수 있을지를 분석하는 것은 매우 중요한 사안이다. 또한, 기술개발과 안전성 개선을 위해서 다양한 접근이 요구되고 있다.

2. 전고체 배터리의 기술적 현황

• 2-1. 전고체 배터리가 갖는 장점

• 전고체 배터리는 액체 전해질을 사용하지 않기 때문에 화재 위험성이 크게 낮아집니다. 기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질이 고온에서 폭발하거나 화재를 일으킬 수 있는 위험이 있지만, 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 이러한 위험이 크지 않습니다. 이는 전기차의 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 요소로 작용합니다.

• 또한, 전고체 배터리는 일반적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 에너지 밀도란 단위 부피 또는 무게당 저장할 수 있는 에너지의 양을 의미하며, 이는 전기차의 주행 거리와 직결됩니다. 전고체 배터리가 이러한 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있는 이유는 고체 전해질 재료가 전극 재료와의 화학적 반응을 줄여주기 때문입니다.

• 마지막으로, 전고체 배터리는 내구성이 뛰어난 특성을 가지며, 긴 사이클 수명을 제공합니다. 이는 배터리가 많은 충전 및 방전을 견딜 수 있음을 의미하며, 사용자에게 장기적으로 경제적인 이점을 제공합니다.

• 2-2. 현재 개발 상황 및 기술적 난이도

• 현재 전고체 배터리는 상용화 단계에 이르지 못한 단계로, 주요 기술적 난제가 남아 있습니다. 삼성SDI와 LG에너지솔루션, SK온 등 주요 한국 기업들은 2027년과 2030년 상용화를 목표로 연구개발을 적극적으로 진행 중입니다. 삼성SDI는 2022년 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공하여 상용화에 필요한 기술 로드맵을 구체화하는 데 착수하였습니다.

• 하지만 전고체 배터리의 가장 큰 기술적 장벽 중 하나는 전해질의 높은 저항입니다. 이는 이온 전도도가 낮아 충전 및 방전 속도가 감소하게 됩니다. 이에 따라 배터리의 성능이 저하되는 문제가 발생하는데, 이는 기술 개발이 계속해서 요구되는 이유입니다.

• 전고체 배터리는 다양한 화학 조합과 제조 과정을 통해 성능 개선이 가능하지만, 여전히 경제성 확보가 시급한 상황입니다. 예를 들어, 황화물계 전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리에 비해 제조 비용이 높아 대중화에는 시간이 필요할 것으로 예상됩니다.

• 2-3. 전고체 배터리의 안전성 문제

• 전고체 배터리는 기본적으로 안전성을 강화한 설계로 제작되고 있지만, 여전히 해결해야 할 안전성 문제가 존재합니다. 고체 전해질의 특정 물질에서 화학적으로 불안정할 수 있는 가능성이 있으며, 이는 고온에서의 성능 저하와 함께 사용 중 배터리의 안전을 위협할 수 있습니다.

• 또한, 전고체 배터리는 낮은 이온 전도도와 높은 계면 저항으로 인해 열 발생이 이뤄질 수 있으며, 이는 전고체 배터리의 지속적인 연구에서 주요 고려 사항으로 지적되고 있습니다. 고온에서의 성능 저하나 고전압 작동에서의 불안정성 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 결국, 전고체 배터리의 안전성을 확보하기 위해서는 전해질 및 전극 재료의 균일성과 안정성을 높이고, 새로운 소재의 개발과 함께 열 관리 기술을 도입해야 할 것입니다. 이를 통해 전고체 배터리의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대됩니다.

3. 반고체 배터리의 부상과 시장 전망

• 3-1. 반고체 배터리의 정의 및 장점

• 반고체 배터리는 액체 전해질과 고체 전해질의 특성을 결합한 형태로, 전해질이 젤状으로 구성되어 있습니다. 이 구조는 리튬이온 배터리의 액체 전해질보다 화재 위험이 낮으며, 안전성과 성능을 동시에 개선할 수 있는 장점을 제공합니다. 이를 통해 반고체 배터리는 전기차에 필요한 높은 에너지 밀도와 안정성을 겸비할 수 있습니다. 특히, 전고체 배터리에 비해 제조 비용이 훨씬 합리적일 것으로 기대되며, 이는 대중화 가능성을 한층 높이는 요소로 작용할 것으로 분석됩니다.

• 3-2. 전고체 배터리의 중간 단계로서의 역할

• 전고체 배터리는 현재 높은 기술 난이도와 생산 비용으로 인해 상용화가 지연되고 있습니다. 반면, 반고체 배터리는 전고체 배터리가 대중화되기 전에 가장 실용적인 대안으로 주목받고 있습니다. 반고체 배터리는 전고체 배터리의 안전성 이점을 일부 상속받으면서도, 생산성 및 경제성에서 유리한 요소를 가지고 있습니다. 이에 따라 반고체 배터리는 전고체로의 전환 과정에서 중요한 역할을 수행할 것이며, 중장기적으로는 높은 수요를 이끌어낼 것으로 예상되고 있습니다.

• 3-3. 2035년까지의 시장 침투율 전망

• 시장조사기관 SNE리서치의 분석에 따르면 반고체 배터리는 2025년 약 0.6%의 시장 침투율로 시작하여 2035년까지 최대 9.6%에 이를 것으로 전망됩니다. 이러한 수치는 다소 낙관적인 관점에 기반한 것이지만, 업계의 보수적인 예측에 따르면 침투율은 6.8%로 낮춰질 수 있습니다. 반고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리와의 경쟁에서 중요한 위치를 차지할 것이며, 가격이 전고체보다 저렴하다는 점에서 더욱 많은 기업들과 소비자들에게 수용될 가능성이 높습니다. 반고체 배터리의 상용화와 생산능력 증대는 한국 배터리 업계의 기술적 리더십을 더욱 강화하는 가운데, 전기차 시장의 변화에 대응하기 위한 핵심 요소로 작용할 것입니다.

4. 차세대 배터리 시장의 경쟁 구도

• 4-1. 리튬이온 배터리와의 경쟁 상황

• 현재 전 세계 전기차 시장에서 리튬이온 배터리는 여전히 주류를 차지하고 있습니다. 하지만 전고체 배터리와 반고체 배터리와 같은 차세대 배터리 기술이 부각됨에 따라 이들 기술은 리튬이온 배터리와의 경쟁 관계에 있습니다. 전고체 배터리는 높은 안전성과 에너지 밀도를 제공하는 장점이 있으며, 이는 리튬이온 배터리의 기본적인 약점을 보완할 수 있는 가능성을 내포하고 있습니다. 특히 리튬이온 배터리는 화재 위험과 구조적 안전성 문제로 인해 소비자들 사이에서 불안감을 조성하지만, 전고체 배터리는 이를 해결할 수 있는 혁신적인 기술로 주목받고 있습니다.

• 가장 큰 장점은 전고체 배터리가 고체 전해질을 사용하는 반면, 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하여 화재 발생 가능성을 해소할 수 있는 점입니다. 이러한 특성 덕분에 전고체 배터리는 위기의 순간이 더욱 안전하게 다루어질 가능성이 크게 향상됩니다. 결과적으로, 전고체 배터리의 상용화는 리튬이온 배터리 시장에 강력한 도전이 될 것으로 예측되며, 가까운 미래에 전기차 시장에서의 시장 점유율을 확장하는 데 기여할 것입니다.

• 4-2. 글로벌 배터리 제조업체들의 개발 현황

• 글로벌 배터리 제조업체들은 전고체 배터리 및 반고체 배터리 기술의 개발에 적극적으로 참여하고 있습니다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 국내 기업들은 전고체 배터리의 상용화를 위해 전담 조직을 구성하고 연구개발에 집중하고 있습니다. 예를 들어, 삼성SDI는 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공하고 성능 및 소재 테스트를 통해 기술 확보에 나서고 있으며, 2027년까지 상용화를 목표로 하고 있습니다.

• 외국 기업들도 치열한 경쟁에 참여하고 있습니다. 일본의 토요타는 1000여 개의 전고체 배터리 관련 특허를 보유하고 있으며, 2027년과 2028년 사이에 전고체 배터리를 장착한 전기차를 선보일 계획입니다. 또한, 중국은 정부의 지원을 바탕으로 CATL과 BYD 같은 대기업들 예약에 전고체 배터리 공동 연구를 위한 연합체를 설립하고 2030년까지 공급망 구축을 목표로 하고 있습니다. 이러한 글로벌 수준의 연구개발 투자와 경쟁은 각국의 시장 선도에 큰 영향을 미칠 것입니다.

• 4-3. 기술력 확보를 위한 전략

• 전고체 배터리와 반고체 배터리 기술의 상용화를 위해서는 각 회사가 기술력을 확보하는 것이 필수적입니다. 즉, 연구개발 비용을 아끼지 않고, 생산 공정의 혁신을 통해 생산 단가를 절감하는 전략이 필요합니다. 예를 들어, 리튬금속 배터리 기술과 같이 혁신적인 기술 개발을 통해 경쟁 우위를 확보하는 기업의 발걸음이 더욱 빨라지고 있습니다.

• 더불어, 소비자 신뢰를 확보하기 위해 안전성과 경제성을 동시에 고려하는 방향으로 진행해야 합니다. 배터리 업계는 대규모 생산체제를 구축하고, 고객의 수요를 반영한 다양한 제품군을 선보이며 시장에서 경쟁력을 높이는 동시에, 기술적 어려움을 극복하기 위한 협력도 확대해야 합니다. 결국, 차세대 배터리 기술의 개발은 포괄적인 전략과 함께 진행되어야 하며, 이를 통해 전기차 시장의 패권을 확보하는 데 기여할 수 있을 것입니다.

5. 미래 방향과 필요한 기술적 접근

• 5-1. 차세대 배터리 기술의 발전 방향

• 차세대 배터리 기술은 전고체 및 반고체 배터리와 같은 혁신적인 솔루션을 바탕으로 지속적으로 발전해 나갈 것으로 예상됩니다. 전고체 배터리는 안전성과 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 높은 가격과 기술적 난이도 때문에 단기간 내 상용화되기 어려운 상황입니다. 이를 해결하기 위해 반고체 배터리가 주목받고 있으며, 이는 전고체 배터리의 중간 단계로서 기능할 것입니다. 반고체 배터리는 고체 전해질과 액체 전해질의 장점을 결합한 제품으로, 상대적으로 낮은 가격으로 전고체 배터리의 여러 장점을 제공할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 이로 인해 향후 전고체 배터리가 상용화될 때까지 반고체 배터리가 전기차 시장에서 중요한 역할을 할 것입니다.

• 5-2. 안전성과 경제성을 동시에 확보하기 위한 방안

• 전기차 배터리의 안전성은 소비자의 신뢰를 구축하는 데 필수적입니다. 따라서 배터리 제조업체들은 화재 위험을 최소화하기 위해 전고체와 반고체 배터리 기술의 성능을 극대화해야 합니다. 전고체 배터리는 고체 상태의 전해질을 사용하여 화재 발생 확률을 낮추는 동시에 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있는 가능성을 지니고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 높은 생산비는 상용화에 큰 장애물로 작용하고 있습니다. 따라서, 제조업체들은 대량 생산 과정에서의 가격 절감을 위해 효율적인 생산 기술을 개발하고, 원자재 확보 및 공급망 관리에 집중해야 합니다. 동시에, 성능을 유지하면서도 가격을 낮추는 혁신적인 신소재 개발이 필요합니다.

• 5-3. 소비자 신뢰 확보를 위한 전략

• 소비자 신뢰를 얻기 위해서는 자주 발생하는 전기차 화재와 같은 부정적인 사건에 대한 철저한 대처가 필수적입니다. 배터리 제조업체들은 각종 안전 테스트와 인증 절차를 강화하여 소비자에게 안전성을 입증해야 합니다. 또한, 친환경적이고 지속 가능한 생산 과정 및 배터리 재활용 방안도 강조해야 합니다. 이러한 지속 가능한 접근은 환경에 대한 소비자의 관심을 반영하며, 브랜드 이미지 강화와 더불어 소비자 충성도를 높이는 결과로 이어질 것입니다. 이를 위해 기업들은 혁신적인 기술 개발뿐만 아니라, 고객과의 소통을 통한 투명한 정보 제공이 요구됩니다.

결론

• 전고체 배터리와 반고체 배터리는 전기차 시장의 미래를 이끄는 핵심 기술로 자리 잡았다. 전고체 배터리는 높은 안전성과 효율성을 자랑하지만, 기술적 난이도와 높은 생산 비용 때문에 단기간 내 상용화가 어려운 상황이다. 반고체 배터리는 이러한 기술적 한계를 보완할 수 있는 실용적인 대안으로, 전고체 배터리가 광범위하게 보급되기 전에 시장에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

• 기술적 접근에 있어서는 안전성과 경제성을 동시에 확보하는 것이 필수적이며, 이를 위해 제조업체들은 생산 공정의 혁신과 효율적인 원자재 관리에 집중해야 한다. 소비자 신뢰를 구축하기 위해서는 배터리 화재 등의 부정적인 사건에 대한 철저한 대응과 지속 가능한 생산 과정이 강조되어야 한다. 결국, 이 두 가지 기술의 발전은 전기차 시장을 더욱 견고하게 만들어 줄 것이며, 향후 업계 관계자들이 직면할 과제와 기회를 동시에 제시하고 있다.

용어집

• 전고체 배터리 [기술]: 고체 전해질을 사용하는 배터리로, 화재 위험이 낮고 높은 에너지 밀도를 제공하여 전기차의 안전성과 주행 거리를 향상시킨다.

• 반고체 배터리 [기술]: 액체 전해질과 고체 전해질의 특성을 결합한 배터리로, 제조 비용이 저렴하고 안전성 하이브리드를 통해 전기차에 적합한 성능을 제공한다.

• 에너지 밀도 [물리적 특성]: 단위 부피 또는 무게당 저장할 수 있는 에너지의 양으로, 전기차의 주행 거리와 밀접한 관련이 있다.

• 사이클 수명 [성능 특성]: 배터리가 여러 번 충전 및 방전할 수 있는 횟수로, 배터리의 내구성을 나타내는 중요한 지표다.

• 전해질 [재료]: 전기가 통하는 매개체로, 배터리의 화학 반응에서 이온의 이동을 가능하게 하는 전도성 물질이다.

• 이온 전도도 [물리적 특성]: 전해질이 이온을 얼마나 쉽게 전도할 수 있는지를 나타내는 수치로, 배터리 성능에 직접적인 영향을 미친다.

• 생산성 [경제적 요소]: 특정 제품을 제조하는 데 소요되는 시간과 비용을 최적화하여, 배터리의 대량 생산에 필요한 효율성을 나타낸다.

• 안정성 [성능 특성]: 배터리가 사용 중 화재나 폭발과 같은 위험을 얼마나 잘 피할 수 있는지를 나타내며, 안전한 사용을 위해 필수적이다.

출처 문서

• "전고체는 너무 멀다"…징검다리 '반고체 배터리'에 쏠리는 눈 - 뉴스1https://www.news1.kr/industry/general-industry/5520583
• '전고체 배터리' 개발 경쟁 심화…차세대 배터리 승자는https://www.metroseoul.co.kr/article/20240218500159
• 차세대 배터리 시대 도래?…배터리업계 '갑론을박'https://chem.ebn.co.kr/news/view/1002326