전고체 배터리의 상용화, ‘꿈의 배터리’로 가는 길

1. 요약

• 전고체 배터리는 차세대 배터리 기술로 더욱广泛한 관심을 받으며, 이 기술에 대한 기대감은 전기차 및 재생에너지 저장 시스템의 발전에 필수적입니다. 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 형태의 전해질을 사용하는 혁신적인 기술로, 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공하며, 이는 전기차의 주행 거리 증가와 충전 시간 단축을 동시에 가능하게 만드는 요소로 평가받습니다. 이러한 배터리는 리튬이온 배터리의 한계를 극복하면서, 각종 성공 사례들을 통해 시장에서의 가능성을 입증하고 있습니다.

• 현재 현대차, SK온 등 주요 기업들이 전고체 배터리의 상용화를 위한 연구개발에 막대한 투자를 단행하고 있으며, 이를 통해 다양한 기술적 과제를 해결하고 있습니다. 포스코는 황화 리튬의 대량 생산을 계획하면서 이 기술의 상용화를 가속화하고 있습니다. 또한, 경쟁이 치열한 전고체 배터리 시장에서는 각 기업의 전략적 접근이 이루어지고 있으며, 신생 기업들의 등장도 시장의 역동성을 더하고 있습니다. 이러한 다양한 노력은 결국 전고체 배터리가 실현 가능하도록 이끌고 있으며, 이는 곧 세계 자동차 제조사들이 전기차 시장을 주도하기 위한 노력을 더욱 활발하게 할 여지를 만들어냅니다.

• 가격 경쟁력을 확보하기 위한 기업들의 논의와 분석은 전고체 배터리 상용화에서 중요한 요소 중 하나입니다. 황화 리튬 가격이 현재 높기에, 이를 해결하기 위한 새로운 생산 공정의 개발이 요구되고 있습니다. 각 기업들은 그러한 기술적 발전뿐 아니라 협력을 통해 산업 전반의 가치 사슬을 강화하는 방향으로 나아가고 있습니다. 이러한 협력과 효율적인 원자재 조달 방안은 전고체 배터리의 가능성을 더욱 확장시킬 것으로 예상됩니다.

2. 전고체 배터리 상용화의 필요성과 현황

• 2-1. 전고체 배터리의 정의 및 중요성

• 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 형태의 전해질을 사용하는 배터리 기술로, 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공하는 '꿈의 배터리'로 알려져 있습니다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리의 한계를 극복하기 위해 개발되었으며, 안전성 측면에서 더 뛰어난 특성을 지니고 있습니다. 이는 화재나 폭발의 위험성이 적고, 충전 시간도 단축될 가능성이 큽니다. 전고체 배터리는 전기차 및 재생에너지 저장 시스템에서의 활용 가능성이 높은 미래의 기술로, 전 세계 자동차 제조사들이 이를 상용화하기 위한 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다.

• 2-2. 현재 연구 개발 및 생산 속도

• 현재 전고체 배터리의 상용화는 빠르게 진행되고 있으며, 관련 기업들이 연구개발에 막대한 투자를 아끼지 않고 있습니다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 주요 배터리 제조사들은 각각의 전고체 배터리 개발 목표를 설정하고 2027년, 2029년, 2030년 내 상용화를 목표로 하고 있으며, 생산 기술 확보와 가격 경쟁력 확보에 주력하고 있습니다. 특히, 황화물계 고체 전해질의 생산을 위한 이수스페셜티케미컬의 시설 증설이나 포스코의 생산 계획처럼, 국내의 기업들이 협력해 산업 전체의 밸류체인을 강화하고 있는 상황입니다.

• 정확히는 황화리튬과 같은 고체 전해질의 품질을 높여 생산속도를 개선하기 위한 노력도 병행되고 있습니다. 하지만 생산량 자체가 리튬이온 배터리와 비교할 때 여전히 적고, 가격 또한 경쟁력을 갖추기 위한 개선이 필요합니다. 황화리튬의 가격이 낮아져야 전고체 배터리의 상용화가 이루어질 수 있다고 예상됩니다.

• 2-3. 산업 내 경쟁 현황

• 전고체 배터리 시장은 이미 치열한 경쟁이 전개되고 있으며, 많은 기업들이 해당 기술의 상용화를 위해 노력하고 있습니다. 현대차 그룹은 배터리 셀 제조사와의 협력은 물론, 배터리의 핵심 광물을 확보하기 위한 직접적인 투자에도 나서고 있습니다. 이는 미래의 전기차 시장을 선도하기 위한 전략으로, SK온과 포스코 역시 각각의 기술 개발과 생산시설 확장을 통해 시장 점유율을 높이기 위해 발빠른 모습을 보이고 있습니다.

• 최근 새로운 스타트업인 솔리비스는 고체 전해질 생산 공정을 개발하고 대규모 생산 시설을 건설함으로써 시장의 주요 참여자로 부상하고 있습니다. 이처럼 다양한 기업들이 각자 다른 접근 방식을 취하는 가운데, 기업 간 협력과 투자 유치가 곧 산업 내 경쟁 현황을 더욱 가열시키고 있는 상황입니다.

3. 문제점 및 가격 경합의 원인 분석

• 3-1. 전고체 배터리의 가격 상승 요인

• 전고체 배터리의 상용화를 위해 가장 중요한 요소 중 하나는 가격 경쟁력입니다. 현재 전고체 배터리의 상용화가 지연되고 있는 주된 이유 중 하나는 높은 가격입니다. 특히, 황화 리튬은 전고체 배터리의 핵심 소재로, 현재 가격이 1kg당 약 1만2000달러에 달합니다. 이는 기존 액체 전해질 리튬이온 배터리의 원료인 수산화 리튬의 가격(약 50달러)과 비교할 때 상당히 높은 수준입니다. 이와 같은 가격 구조는 원자재 확보의 절차와 공정의 복잡성에서 비롯됩니다.

• 3-2. 원자재 확보의 난제

• 전고체 배터리를 생산하는 데 필요한 원자재인 황화 리튬은 현재 꽤 많은 도전 과제를 안고 있습니다. 황화 리튬을 생산할 때는 유해물질인 황화수소가 발생하고, 이를 제거하는 추가 공정이 필요합니다. 이러한 공정은 생산 비용을 증가시키며, 안정적인 공급망 구축을 어렵게 만듭니다. 현재 각 기업들은 황화 리튬의 대량 생산을 목표로 다양한 생산 기술을 개발하고 있으나, 환경적 요구 사항과 경제성을 동시에 충족하는 것은 매우 도전적입니다.

• 3-3. 배터리 생산 과정의 복잡성

• 전고체 배터리의 생산 과정은 상당히 복잡합니다. 전고체 배터리의 특정 요구 사항인 극한의 온도 환경에서 공정을 진행해야 하기 때문에, 생산 시설의 조건을 맞추는 것이 필수적입니다. 예를 들어, 황화물계 고체 전해질을 생산하는 데는 이슬점이 -50도 이하인 드라이룸이 필요합니다. 이는 기존 리튬이온 배터리에서 요구되는 온도보다 더 낮습니다. 이로 인해 생산 시설 구축에 더 많은 투자와 시간이 소요됩니다. 이러한 복잡한 생산 공정은 기업들이 전고체 배터리 팬데믹 시장에 뛰어들기 위한 발목을 잡고 있는 상황입니다.

4. 기업들의 해결책과 전략 제안

• 4-1. 포스코의 황화 리튬 생산 계획

• 포스코는 전고체 배터리의 핵심 소재인 황화 리튬의 대량 생산을 계획하고 있습니다. 황화 리튬은 고체 전해질을 제조하는 데 필수적인 물질로, 이온 전도도를 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 포스코홀딩스는 최근 미래기술연구원 내에 황화 리튬 생산 테스트 설비를 설치하고 샘플 생산을 개시하였습니다. 연내에는 파일럿 플랜트를 완공할 예정이며, 이를 통해 대량생산 체제를 구축하여 젊은 배터리 시장의 수요를 만족시키고자 합니다.

• 현재 황화 리튬의 가격은 킬로그램당 1500~2000달러로, 기존 액체 전해질의 가격에 비해 상당히 높은 수준입니다. 포스코는 대규모 양산을 통해 가격을 낮추고, 품질을 안정화하여 시장에서의 경쟁력을 확보하고자 합니다. 이를 통해 전고체 배터리의 상용화가 더욱 가속화될 것으로 기대됩니다.

• 4-2. 배터리 밸류체인 완성 전략

• 배터리 밸류체인을 완성하기 위해 여러 기업들이 전략적 접근을 추진하고 있습니다. 현대차그룹은 배터리 셀 제조사와의 합작법인을 설립하고, 핵심 원자재 확보에 직접 나서는 등 수직계열화 작업을 활발히 진행하고 있습니다. SK온은 음극재를 리튬 메탈로 교체하여 에너지 밀도를 증가시키는 연구개발을 진행 중입니다.

• 이와 동시에 삼성SDI 역시 고체 전해질 소재에 대한 연구를 강화하고 있으며, 지속적인 소통을 통해 공급망 구축에 힘쓰고 있습니다. 이러한 노력들은 각기 다른 기업들이 전고체 배터리 시장에서 주도권을 잡기 위한 갈등과 협력의 상호작용을 보여줍니다.

• 4-3. 리튬메탈 배터리 활용 방안

• 리튬메탈 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 높아 다양한 응용 분야에서 요구되고 있습니다. SK온은 이 분야의 기술 개발을 통해 하이브리드 전기차 및 전기차의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 잠재력을 보이고 있습니다. 이 배터리의 이점은 충전 속도와 저장 용량에 있어 기존 배터리보다 현저히 배양될 수 있는 점에 있습니다.

• 리튬메탈 배터리는 전고체 기술과 결합될 경우 더욱 안전하고 효과적인 에너지 저장 장치로 발전할 가능성이 큽니다. 이를 통해 배터리 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 변화가 예상되며, 이는 최종 소비자에게도 다양한 혜택을 제공할 것입니다.

5. 앞으로의 전망 및 결론

• 5-1. 전고체 배터리 상용화의 가능성

• 전고체 배터리는 시장에서 '꿈의 배터리'로 불리며 혁신적인 기술로 주목받고 있습니다. 특히, 현재 진행 중인 연구 개발은 상용화를 가시화하고 있습니다. 2027년 삼성SDI, 2029년 SK온, 그리고 2030년까지 LG에너지솔루션이 상용화 제품을 시장에 내놓을 목표를 세우고 있습니다. 이는 전고체 배터리가 세간의 우려를 불식시키고 실제로 상용화될 수 있는 가능성이 있음을 암시합니다. 특히, 황화리튬(Li2S)의 생산이 증가하고 있는 가운데, 많은 기업들이 합작 및 협력관계를 강화하여 생산능력 확대에 집중하고 있습니다.

• 5-2. 업계의 협력 필요성

• 전고체 배터리의 성공적인 상용화를 위해서는 기업 간의 협력이 필수적입니다. 예를 들어, 현대차 그룹은 배터리 셀 제조사와의 긴밀한 협력을 통해 자사의 배터리 기술력을 높이고 있으며, SK온은 음극을 리튬메탈로 변경하여 에너지 밀도를 극대화하고 있습니다. 이러한 협력은 기술 개발뿐만 아니라, 원자재 조달, 생산 공정 최적화 등 다각적 측면에서 이루어져야 합니다. 또한, 일본과 중국 등 다른 국가에서도 정부 차원에서의 연구 개발 지원이 이루어지고 있어 한국도 이에 맞춰 유사한 방식으로 지원 정책을 마련할 필요가 있습니다.

• 5-3. 지속 가능한 발전 방향

• 전고체 배터리 기술의 발전은 단순한 상용화를 넘어 환경적으로도 지속 가능성을 강조해야 합니다. 전고체 배터리는 화재 및 폭발 위험이 적고, 더 많은 전력을 저장할 수 있어 전기차 및 재생 가능 에너지원의 사용에 적합합니다. 이러한 특성은 기술이 상용화되었을 때, 전기차의 주행 거리 증가 및 재생 가능 에너지 저장 효율성 개선에 기여할 수 있습니다. 따라서, 전고체 배터리의 연구는 향후 지속 가능한 에너지 전환을 이끄는 중요한 요소가 될 것입니다.

결론

• 결론적으로, 전고체 배터리는 범위가 확장되는 전기차 및 재생에너지 시장에서 중심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 상용화 기술의 발전과 가격 경쟁력 확보는 이 배터리 기술의 성공에 매우 중요한 요소로 작용할 것입니다. 현재 진행되고 있는 기업 간 협력과 연구개발의 가속화는 상용화를 더욱 가시화시키고 있으며, 관련 산업의 밸류체인 강화에 기여하고 있습니다.

• 또한, 전고체 배터리가 상용화될 경우, 안전성 및 효율성 면에서의 개선이 이루어질 것이며, 이는 전기차의 주행 거리 증가와 재생에너지 저장의 효율성을 높이는 데 기여할 것입니다. 따라서, 이러한 기술은 지속 가능한 에너지 전환을 이루는 데 필수적인 역할을 담당할 가능성이 큽니다.

• 마지막으로, 전고체 배터리의 성공적인 대중화를 위해서는 기업들이 각자의 기술적 접근을 통해 원자재 공급의 안정성을 높이고, 생산 공정을 최적화하는 노력이 필수적입니다. 이러한 흐름 속에서 전고체 배터리 기술이 향후 세대를 위한 지속 가능한 해결책으로 자리 잡길 기대합니다.

용어집

• 전고체 배터리 [배터리 기술]: 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 혁신적인 배터리 기술로, 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공하는 차세대 배터리.

• 황화 리튬 [원자재]: 전고체 배터리의 핵심 소재로, 고체 전해질을 제조하는 데 필수적인 화합물.

• 에너지 밀도 [성능 지표]: 단위 부피 또는 무게당 저장할 수 있는 에너지 양을 나타내는 지표, 높은 에너지 밀도는 더 많은 에너지를 상대적으로 작은 크기로 저장할 수 있음을 의미.

• 리튬이온 배터리 [배터리 기술]: 현재 가장 널리 사용되는 rechargeable battery로, 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하여 전기를 저장하고 방출하는 방식.

• 공정의 복잡성 [생산 문제]: 전고체 배터리 생산 과정에서 다양한 기술적 요구 사항으로 인해 발생하는 어려움, 특히 극한의 온도 환경에서 공정을 진행해야 하는 조건.

• 밸류체인 [산업 구조]: 제품이 생산되어 소비자에게 도달하기까지의 일련의 과정과 해당 과정에서 부가가치가 생성되는 흐름.

• 리튬메탈 배터리 [배터리 기술]: 기존 리튬이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 제공하며, 전고체 기술과 결합될 경우 더욱 안전하고 효과적인 에너지 저장 솔루션으로 발전할 가능성이 있는 배터리.

출처 문서

• 배터리 밸류체인, 전고체 배터리 소재 생산 ‘속도’…상용화는 언제?https://www.sisaon.co.kr/news/articleView.html?idxno=163426
• 배터리 밸류체인, 전고체 배터리 소재 생산 ‘속도’…상용화는 언제?http://www.sisaon.co.kr/news/articleView.html?idxno=163426
• 전고체 배터리도 밸류체인 쌓는 포스코…황화 리튬 사업 뛰어든다https://v.daum.net/v/20240513110616268
• “전고체 배터리 상용화, 더 이상 꿈이 아니다”https://m.khan.co.kr/economy/auto/article/202407060800011
• “전고체 배터리 상용화, 더 이상 꿈이 아니다”https://www.khan.co.kr/economy/auto/article/202407060800011