‘꿈의 배터리’ 선점하라···차세대 전고체 기술 경쟁

[2022 배터리 전쟁②]

800km 주행 전고체 배터리 개발 속도

KAIST-美조지아공대, 고체전해질 개발

SK이노, 美솔리드파워에 353억원 투자

LG엔솔, 차세대 배터리 R&D 6191억원

삼성SDI, 삼성전자 종합기술원과 협력

전기차 전고체 배터리 개발 추진 현황. 그래픽=박혜수 기자

글로벌 전기차 배터리 시장의 성장과 함께 관련 연구·개발(R&D)이 활발하게 진행되면서 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 시대가 성큼 다가왔다.

LG에너지솔루션, SK온, 삼성SDI 등 국내 배터리 3사는 전고체 배터리 시장을 선점하기 위해 세계적인 연구진과 손잡고 적극적 투자에 나서고 있다.

◇800km 주행 전고체 배터리 개발 = 전고체 배터리는 현재 배터리에 적용되는 액체 형태의 전해질을 고체로 바꾼 배터리다. 배터리 용량은 늘리면서 무게, 부피, 화재 위험은 줄일 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다.

현재 상용화된 리튬이온 배터리와 비교하면 에너지 밀도가 높아 대용량 충전이 가능해 차량 주행거리를 늘리고 안전 문제도 해결할 수 있는 꿈의 배터리로 불린다.

최근 학계에서는 이온전도도와 안전성을 동시에 확보하는 고체 전해질 구현을 통해 전고체 배터리 상용화를 앞당기는 연구 성과가 나와 주목받았다.

한국과학기술원(KAIST) 김범준 교수팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀은 최근 고무처럼 신축성이 뛰어난 엘라스토머 내부에 리튬 이온전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결하는 방식으로 고분자 고체 전해질을 개발했다.

이온전도도는 배터리 내부에서 이온이 얼마나 잘 이동할 수 있는지를 나타낸다. 이온전도도가 높을수록 배터리 내부의 리튬 이온이 빠르게 전달된다.

또 고체 전해질의 신축성이 뛰어나면 배터리 내부에서 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 덴드라이트(dendrite)로부터 전해질이 손상되지 않아 안전성을 확보할 수 있다.

이 같은 기술을 도입하면 현재 한 번 충전 시 500km 수준인 전기차 주행거리가 800km까지 길어질 것으로 전망된다.

김범준 교수는 “엘라스토머 고체 전해질의 원천 기술을 확보했다”며 “기존 고체 전해질이 가진 문제점을 획기적으로 개선한데다 제조 공정이 매우 간단해 전고체 전지 전해질의 게임체인저가 될 것”이라고 강조했다.

◇배터리 3사, 개발 투자·협력 강화 = SK온의 모회사 SK이노베이션은 전고체 배터리 개발을 위해 이승우 교수팀과 협력하기로 했다.

기존에 독자적으로 확보해 온 기술에 이 교수팀의 연구 성과를 더해 전고체 배터리에 박차를 가한다는 계획이다.

이성준 SK이노베이션 환경과학기술원장은 “탁월한 연구 성과를 거둔 이승우 교수팀과 협력해 꿈의 전지로 불리는 전고체 배터리 시대를 앞당겨 기술 경쟁력을 강화할 것”이라고 말했다.

SK이노베이션은 지난해 10월 전고체 배터리 기술 선도기업인 미국 솔리드파워(Solid Power)에 미화 3000만달러(약 353억원)을 투자해 전고체 배터리를 공동 개발하기로 한 바 있다.

양측은 기존 리튬이온 배터리의 NCM(니켈·코발트·망간) 양극재와 실리콘 음극재를 적용한 전고체 배터리를 개발하고 있다.

이를 통해 SK이노베이션은 배터리 에너지밀도 930Wh/L 이상을 구현한다는 계획이다. 현재 일반적으로 사용되는 리튬이온 배터리의 에너지밀도는 약 700Wh/L 수준이다.

같은 크기의 배터리를 전기차에 탑재한다고 가정하면 한 번 충전으로 700km를 달릴 수 있던 전기차가 930km를 주행할 수 있게 되는 셈이라는 게 SK이노베이션 측의 설명이다.

특히 두 회사는 기존 리튬이온 배터리 제조 설비에서도 생산할 수 있도록 전고체 배터리를 개발하기로 했다. 추가적인 설비 투자를 최소화해 비용과 시간을 절약함으로써 가격 경쟁력은 높이고 양산 시기는 앞당긴다는 방침이다.

이달 27일 유가증권시장 상장으로 10조원 이상의 자금을 조달하는 LG에너지솔루션은 이 중 일부를 전고체 배터리 개발에 투입한다.

LG에너지솔루션은 리튬이온 배터리 성능 개선과 리튬황 전지, 전고체 전지 등 차세대 배터리 R&D에 6191억원을 투자할 계획이다.

앞서 LG에너지솔루션은 지난해 9월 미국 샌디에이고대와 공동으로 25도의 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했다.

에너지 밀도 향상을 위해 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리는 온도에 민감해 60도 또는 그 이상의 고온 환경에서만 충전할 수 있고 충전 속도도 느려 한계로 지적돼 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 전고체 배터리의 음극에서 도전(導電)재와 바인더를 제거하고 5마이크미터(um) 내외의 입자 크기를 가진 마이크로 실리콘 음극재를 적용했다.

LG에너지솔루션 관계자는 “LG에너지솔루션은 차세대 전지로 전고체 전지와 리튬황 전지 개발에 주력하고 있다”며 “전고체 전지의 경우 고분자계와 황화물계 두 가지를 모두 개발 중”이라고 말했다.

삼성SDI도 일찌감치 전고체 배터리 개발 작업에 착수해 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력해 기술을 공동 개발하고 있다.

삼성SDI는 지난 2013년부터 각종 모터쇼와 배터리 관련 전시회에서 중장기 전고체 배터리 기술을 선보여왔다. 삼성전자 종합기술원은 2020년 3월 1회 충전으로 주행거리 800km, 1000회 이상 충·방전이 가능한 전고체 배터리 연구 결과를 공개하기도 했다.

삼성SDI는 전고체 배터리를 구성하는 요소 기술 개발 단계에 진입한 이후 상용화를 위한 개발에 매진하고 있다.

삼성SDI는 앞서 “검증된 소재 기술과 고체 전해질 등 독자적으로 개발한 신규 소재를 접목해 고에너지밀도, 고안전성 전지 개발 가능성을 확인했다"며 차세대 배터리에 대한 자신감을 드러낸 바 있다.