2025년 배터리 혁명을 이끄는 전고체 배터리: 안전성과 성능을 겸비한 미래의 '꿈의 배터리'

1. 요약

• 전고체 배터리는 현재 전기차 및 다양한 산업 분야에서의 안전성과 성능 문제를 해결하기 위한 혁신적인 기술로 부각되고 있습니다. 최근 전기차 화재 사건 이후 소비자들의 불안감이 커지면서, 이에 대한 해결책으로 전고체 배터리에 대한 관심이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용함으로써 액체 전해질의 누수 및 가연성 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다.

• 이 배터리는 기존 리튬이온 배터리 대비 두 배 이상의 에너지 밀도를 제공하여, 전기차의 항속거리를 대폭 향상시킬 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 전고체 배터리의 역사적 발전 배경을 살펴보면, 20세기 중반부터 시작된 연구가 1990년대에 이르러 일본과 한국의 기업들에 의해 더욱 본격화되었음을 알 수 있습니다. 이는 안전성과 성능을 동시에 만족시키기 위한 산업적 요구에 부응하는 과정에서 이루어진 것입니다.

• 현재 많은 글로벌 기업들이 전고체 배터리의 상용화를 목표로 기술 개발에 투자하고 있으며, 도요타, 삼성SDI, LG에너지솔루션과 같은 기업들은 각기 다른 기술적 접근으로 시장 진출을 준비하고 있습니다. 향후 2030년대에는 상용화될 가능성이 높으며, 이는 자동차 산업뿐만 아니라 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 전망입니다.

2. 전고체 배터리란 무엇인가?

• 2-1. 전고체 배터리의 정의

• 전고체 배터리(All-Solid-State Battery, ASSB)는 전지의 모든 구성 요소가 고체로 이루어진 배터리를 의미합니다. 전통적인 리튬이온 배터리와 달리, 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용합니다. 이는 전고체 배터리의 주요한 특징으로, 보다 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공합니다. 특히, 고체 전해질을 사용함으로써 배터리의 화재 위험성이 크게 줄어드는 이점이 있으며, 이는 전기차와 같은 응용 분야에서 중요한 요소로 작용합니다.

• 2-2. 기존 리튬이온 배터리와의 차이점

• 전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery, LIB)와 비교하여 몇 가지 중요한 차별점을 지니고 있습니다. 첫째, 전고체 배터리는 액체 전해질이 아닌 고체 전해질을 사용하여, 액체 전해질의 누수 및 가연성 문제를 해결합니다. 둘째, 고체 전해질은 일반적으로 높은 안정성을 제공하여 열적 안정성을 증가시킵니다. 이는 고온 상황에서도 배터리의 안전성을 들어줄 수 있는 중요한 요인입니다.

• 또한, 전고체 배터리는 에너지 밀도 측면에서도 장점을 가지며, 이는 전기차의 항속거리를 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어, 전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 2배 이상 향상될 수 있으며, 이는 더 긴 거리 주행이 가능하다는 의미로, 전기차 사용자에게 큰 매력으로 작용합니다. 이와 같은 특성들로 인해 전고체 배터리는 '꿈의 배터리'라고 불리기도 합니다.

• 2-3. 전고체 배터리 기술의 진화 역사

• 전고체 배터리 기술은 20세기 중반부터 연구가 시작되었으나, 실용화에는 오랜 시간이 걸렸습니다. 특히 1970년대 이후 리튬전지의 연구가 활발해지면서, 리튬 이온이 고체 전해질을 통해 이동하는 기술이 점차 발전하였습니다. 이 시기에 리튬금속 음극을 사용하는 초기 전고체 배터리 모델들이 실험적으로 개발되었지만, 이들 대부분은 안정성 및 성능 문제로 상용화에 어려움을 겪었습니다.

• 1990년대와 2000년대 초반, 일본과 한국의 기업들이 전고체 배터리 개발에 더욱 집중하게 되면서, 고체 전해질의 다양한 화학적 조합이 연구되었습니다. 특히, 황화물계 고체 전해질이 뛰어난 이온 전도도를 제공하여, 많은 관심을 얻게 되었습니다. 현재는 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술인 전고체 배터리가 여러 기업에 의해 개발되고 있으며, 도요타, 삼성SDI, LG에너지솔루션 등 글로벌 기업들이 전고체 배터리를 상용화하기 위해 적극적으로 연구 및 투자를 진행하고 있습니다.

• 또한, 최근 들어 전기차 화재 사건 등으로 인해 더욱 안전한 배터리에 대한 필요성이 대두되면서 전고체 배터리의 연구는 더욱 가속화되고 있습니다. 현재 일본, 미국, 한국, 중국 등지의 여러 기업과 연구기관들이 경쟁적으로 기술 개발에 나서고 있으며, 2030년대에는 전고체 배터리가 상용화될 가능성이 커지고 있습니다.

3. 전고체 배터리 기술 발전의 배경

• 3-1. 안전성 문제의 대두: 최근 전기차 화재 사건

• 전고체 배터리의 필요성이 각광받게 된 중요한 배경 중 하나는 전기차에서 발생한 화재 사건입니다. 특히, 올해 8월 인천 청라의 한 아파트에서 발생한 전기차 화재는 소비자들 사이에서 전기차에 대한 불안감을 크게 증대시켰습니다. 전고체 배터리는 이러한 안전성 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목받고 있으며, 전통적인 리튬이온 배터리보다 높은 안정성을 가지고 있다는 점에서 그 가능성이 인정받고 있습니다.

• 전고체 배터리는 전지의 주요 구성 요소가 모두 고체로 이루어져 있어, 액체 전해질의 누액 및 관련 화재 위험을 상당히 줄여줄 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. TOYOTA의 전고체 배터리 개발 계획도 이러한 안전성 문제를 해결하기 위한 발걸음으로 해석됩니다. 또한, 향후 전고체 배터리가 상용화된다면 연료 효율성과 충전 성능 역시 크게 개선될 것으로 예상되고 있습니다.

• 3-2. 소비자의 불안과 시장의 요구

• 최근 전기차 화재 사건들은 소비자들의 전기차에 대한 신뢰를 저하시켰습니다. 이에 따라 배터리 업계는 소비자들의 우려를 해소하기 위한 다양한 대책에 집중하고 있으며, 그 대안으로 전고체 배터리가 주목받고 있습니다. 전고체 배터리는 암시장에서 소비자들이 요구하는 안정성을 충족할 수 있는 기술로, 그 경쟁력은 더욱 높아지고 있습니다.

• 시장 조사 기관들은 전고체 배터리의 글로벌 시장이 오는 2027년까지 연평균 34.2% 성장할 것이라고 전망하고 있습니다. 특히, 아시아·태평양 지역에서의 성장률이 가장 높고, 이러한 시장의 수요는 전기차와 에너지 하베스팅 시스템에서 더욱 두드러질 것으로 기대됩니다. 이러한 환경은 전고체 배터리 개발을 위한 기업들의 투자와 연구개발을 가속화시키고 있습니다.

• 3-3. 도요타의 전고체 배터리 개발 전략

• 도요타는 2020년대 전반에 전고체 배터리를 실용화하기 위해 200명이 넘는 기술진과 함께 개발을 accelerating하고 있습니다. 도요타가 전고체 배터리의 실용화를 목표로 하는 이유는 전기차의 항속거리와 충전 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 잠재력이 있기 때문입니다. 도요타는 전고체 배터리가 기존 리튬이온 배터리보다 두 배 이상의 에너지 밀도를 제공할 수 있다고 믿고 있습니다.

• 또한 도요타는 고성능화와 대량생산 기술 확립을 위한 연구개발을 진행하고 있으며, 특히 황화물계 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술에 주목하고 있습니다. 이 기술은 배터리의 내부 저항을 낮추고 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 기반기술을 개발하는 데 기여하고 있습니다. 이 같은 노력은 도요타가 전고체 배터리에서 세계적인 선두 주자로 자리매김할 수 있는 기반이 될 것입니다.

4. 산업 동향: 전고체 배터리의 시장 전망

• 4-1. 2026년까지의 시장 성장 예측

• 전고체 배터리는 최근 전기차 화재 사건 등의 안전성 문제로 인해 그 필요성이 부각되면서 급속히 주목받고 있습니다. 시장 조사 기관에 따르면, 전고체 배터리 시장은 2020년 6160만 달러에서 2027년에는 약 4억8250만 달러로 성장할 것으로 예상하고 있으며, 연평균 34.2%의 성장률이 기대되고 있습니다. 특히 아시아·태평양 지역은 연평균 41.2% 성장률로 가장 활발하게 확장될 것으로 보입니다. 이는 전고체 배터리가 전기차, 에너지 하베스팅, 무선 센서 및 의료 기기 등 다양한 분야에서 강한 수요를 받고 있기 때문입니다.

• 국내의 경우, 전고체 배터리 시장도 눈에 띄는 성장세를 보일 것으로 전망되며, 2020년 2929만 달러에서 2027년에는 3229만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 국내 배터리 업계가 전고체 배터리 개발에 적극적으로 나서고 있기 때문입니다.

• 4-2. 전세계 전고체 배터리 시장의 방향성

• 글로벌 전고체 배터리 시장은 기술 발전과 함께 다양한 방향으로 확장되고 있습니다. 전고체 배터리는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 배터리의 안전성과 성능을 동시에 충족할 수 있는 가능성을 보여주고 있어 많은 기업들이 연구개발에 힘쓰고 있습니다. 특히, 도요타, 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 주요 기업들이 독자적인 전고체 배터리 개발에 나서고 있으며, 이들은 각기 다른 기술 경로와 생산 전략을 세우고 있습니다.

• 도요타는 2030년까지 상용화를 목표로 하고 있으며, 전고체 배터리가 기존 배터리보다 두 배의 에너지 밀도를 제공할 수 있는 기술적 가능성을 제시했습니다. 이는 전고체 배터리가 전기차의 항속거리와 충전 속도를 크게 개선할 수 있는 잠재력이 있음을 시사합니다. 이와 더불어 LG에너지솔루션과 삼성SDI는 각각 고유의 전고체 배터리 양산 계획을 세워 시장 내 경쟁력을 높이고 있습니다.

• 4-3. 주요 기업들의 기술 개발 경쟁

• 전고체 배터리 기술 개발 경쟁은 현재 치열하게 진행되고 있으며, 각 기업들이 서로의 기술력을 극복하기 위해 다양한 전략을 구사하고 있습니다. 삼성SDI는 2022년부터 전고체 전지 파일럿 라인을 구축하고 있으며, 2027년부터 본격적인 양산을 목표로 하고 있습니다. 이는 국내외 시장에서의 경쟁 우위를 점하기 위한 전략으로, 특히 프리미엄 전기차용 배터리에 집중하고 있습니다.

• LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계 전고체 전지를 각각 2026년, 2030년까지 양산할 계획을 세웠으며, 고분자계 전고체 배터리는 리튬인산철(LFP)과의 혼합으로 세그먼트를 강화하는 전략을 채택하고 있습니다. SK온 또한 황화물계 고체 전해질과 고분자·산화물 복합 고체전해질의 양산 계획을 세우고 있어, 국내 전고체 배터리 시장의 경쟁을 더욱 가열하고 있습니다.

• 한편, 해외에서는 중국의 CATL이 2027년부터 전고체 배터리를 소량 양산할 계획을 세웠으며, 일본의 도요타와 미국의 퀀텀스케이프도 전고체 배터리 기술 개발에 힘을 쏟고 있습니다. 이들 기업은 지속적으로 전고체 배터리의 안정성을 높이고 가성비를 개선하기 위해 연구개발을 추진하고 있습니다.

5. 전고체 배터리의 실제 적용 가능성과 미래

• 5-1. 전고체 배터리의 상용화 시점과 과제

• 전고체 배터리는 그 잠재력에도 불구하고 현재 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 도요타와 같은 주요 기업이 2030년 실용화를 목표로 하고 있지만, 이에 필요한 기술적 해법이 아직 완전히 확보되지 않았습니다. 특히 고체 전해질의 이온 전도도를 높이고, 내부 저항을 줄이는 기술이 중요한데, 이러한 기술적 도전 과제가 상용화 시점을 지연시키고 있습니다. 예컨대 고체 전해질의 내구성을 높이는 동시에 높은 에너지 밀도를 유지하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 또한, 생산 비용을 낮추는 방안도 필수적입니다. 도요타는 일부 공정의 간소화를 통해 가격을 줄일 수 있는 가능성을 제시했고, 이는 향후 대량 생산을 위한 중요한 요소로 작용할 것입니다.

• 5-2. 전기차 및 에너지 저장 시스템 활용 전망

• 전고체 배터리의 상용화가 이루어질 경우, 전기차의 성능은 비약적으로 향상될 것입니다. 현재 리튬이온 배터리가 제공하는 주행 거리와 충전 시간을 극복할 수 있는 가능성이 높아지고 있기 때문입니다. 도요타는 전고체 배터리가 현재 약 300km인 전기차의 주행 거리를 750km 이상으로 늘릴 수 있을 것으로 예상하고 있습니다. 또한, 전고체 배터리는 에너지 저장 시스템(ESS)에도 활용 가능성이 큽니다. 이 배터리는 고온 환경에서도 안정성을 유지하며, 대규모 재생 에너지 저장 및 관리에 이상적일 것입니다. 이는 전 세계적으로 증가하는 태양광 및 풍력 에너지의 활용도를 높이는 데 기여할 것입니다.

• 5-3. 투자자들에게 주는 시사점

• 전고체 배터리 기술은 차세대 배터리 시장에서 중요한 투자 기회를 제공하고 있습니다. 전문가들은 전고체 배터리가 성공적으로 상용화될 경우, 전기차 산업은 물론, 에너지 저장 시장에서 큰 변화를 일으킬 것으로 전망하고 있습니다. 따라서 투자자들은 이 기술의 발전 상황과 주요 기업들의 연구개발 동향을 주의 깊게 살펴봐야 합니다. 현재 도요타와 같은 회사들이 전고체 배터리 개발에 집중하고 있어, 이들의 성과가 산업 전반에 미치는 영향을 고려할 때, 장기적 관점에서 해당 산업에 대한 투자가 유망할 것으로 보입니다. 따라서, 이러한 기술적 발전을 바탕으로 미래의 배터리 산업을 선도할 기업들을 찾아보는 것이 중요할 것입니다.

결론

• 전고체 배터리는 단순한 기술 혁신을 넘어, 전기차 산업의 안전성과 효율성을 크게 개선할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 전고체 배터리가 상용화된다면, 전기차의 주행 거리와 충전 속도가 획기적으로 향상되어 소비자들의 수요를 충족할 수 있는 방향으로 나아갈 수 있을 것입니다. 또한, 이 기술은 재생 에너지 관리에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 에너지 저장 시스템에도 적용 가능성이 큽니다.

• 결과적으로 전고체 배터리 기술은 향후 배터리 시장에서 중심적인 위치를 차지할 것이므로, 투자자들은 이와 관련된 기업의 기술 발전 동향을 지속적으로 모니터링해야 합니다. 이를 통해 전고체 배터리가 가져올 산업 변화의 흐름을 파악하고, 미래 지향적인 투자 전략을 세울 수 있을 것입니다. 따라서, 전고체 배터리의 연구 개발과 시장 반응에 대한 깊은 이해는 향후 성공적인 투자 및 사업 전략을 수립하는 데 필수적입니다.

용어집

• 전고체 배터리 [기술]: 전고체 배터리는 전지의 모든 구성 요소가 고체로 이루어진 배터리로, 고체 전해질을 사용하여 안전성과 에너지 밀도를 향상시킨다.

• 고체 전해질 [물질]: 액체 전해질 대신 사용하는 고체 형태의 전해질로, 배터리의 안전성을 높이며 열적 안정성을 제공한다.

• 에너지 밀도 [특성]: 단위 부피 또는 질량당 저장할 수 있는 에너지의 양으로, 배터리 성능의 중요한 지표 중 하나이다.

• 리튬이온 배터리 [기술]: 가장 널리 사용되는 배터리 유형 중 하나로, 리튬 이온이 전해질을 통해 이동하는 원리로 작동한다.

• 안정성 [성능 지표]: 배터리가 안전하게 작동하는 정도로, 화재와 누액의 위험을 예방하는 능력을 포함한다.

• 이차전지 [장비]: 충전 후 다시 사용할 수 있는 배터리로, 전고체 배터리와 리튬이온 배터리 모두 이 범주에 포함된다.

• 상용화 [단계]: 기술이 실용적인 제품 형태로 생산되어 시장에 출시되는 과정 또는 상태를 설명한다.

• 자동차 산업 [산업]: 자동차의 설계, 생산, 판매와 관련된 산업으로, 전고체 배터리의 상용화에 큰 영향을 미칠 예정이다.

• 에너지 저장 시스템(ESS) [장비]: 전기를 저장하고 필요할 때 이를 방출할 수 있는 시스템으로, 전고체 배터리를 활용할 경우 높은 안정성을 제공한다.

출처 문서

• 레터 6페이지 | 머니랩 | 중앙일보https://www.joongang.co.kr/moneylab/letter?page=6
• 日経Automotivehttps://hjtic.snu.ac.kr/node/10922
• 전기차 화재에 대안으로 떠오르는 전고체 배터리, 왜 ‘꿈의 배터리’일까http://m.viva100.com/view.php?key=20240901010008452