국내 2차전지 3사의 미래 먹거리 '전고체 배터리' 어디쯤 왔나

2023.09.26 17:58:36

이동재 기자 eltred@hellot.net

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당장 상용화 어렵지만 가연성 현저히 줄여 화재 위험 낮춘 차세대 배터리로 기대

삼성SDI, 올해 상반기 6500㎡ 파일럿 라인 최초로 구축…하반기부터 시생산 시작

SK온, 산학협력으로 산화물계 고체 전해질 개발…2028년 상용화 목표

 

 

꿈의 배터리라고 불리는 전고체 배터리는 기존 전지의 분리막과 액체 전해질 조합을 고체 전해질로 대체한 차세대 이차전지다.

 

전고체 배터리는 현재까지는 기술 부족 등 한계로 상용화가 어려운 것으로 여겨지지만, 유기용매를 쓰지 않아 가연성이 현저히 줄어들기 때문에, 화재 위험을 큰 폭으로 줄일 수 있는 차세대 배터리로 기대를 모으고 있다.

 

국내 이차전지 제조사들은 현재 집중하고 있는 NCM, NCA 등 삼원계 배터리의 고도화와 중국 시장에 맞설 중저가 보급형 배터리 개발에 집중하는 한편, 먼 미래 시장을 내다보며 전고체 배터리 개발에도 힘쓰고 있다.

 

국내 기업 중 가장 앞선 것으로 평가되는 기업은 삼성SDI으로, 2027년 전고체 배터리를 상용화하겠다는 다소 도전적인 목표를 제시했다.

 

황화물계 전고체 배터리 개발에 집중하고 있는 삼성SDI는 음극 없이 양극만으로 배터리를 만드는 ‘무(無)음극 기술’을 세계 최초로 개발, 최고 수준의 에너지 밀도와 높은 안전성을 확보한 것으로 알려졌다.

 

 

삼성SDI는 올해 상반기 최초로 6500㎡ 규모의 전고체 배터리 파일럿 라인 ‘S라인’을 구축, 하반기부터 시생산에 나섰다.

 

‘S라인’에는 전고체 전지 전용 극판 및 고체 전해질 공정 설비, 전지 내부의 이온 전달이 원활히 이뤄지도록 만들어주는 셀 조립 설비 등 전고체 전용 설비들을 비롯한 신규 제조 공법 및 인프라가 도입됐다.

 

SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발하고 있는 것으로 알려졌다. 두 종류 모두 2026년 시제품 생산, 2028년 상용화를 목표로 하고 있다.

 

지난 8월 SK온 연구진과 단국대학교 신소재공학과 박희정 교수 연구팀이 공동 개발한 산화물계 고체 전해질 관련 연구결과가 세계적으로 저명한 학술지인 ‘어드밴스드펑셔널머티리얼스’ 표지논문에 게재됐다.

 

SK온은 단국대와 공동 개발한 산화물계 고체 전해질이 세계 최고 수준의 리튬이온 전도도를 보였다고 밝혔다. 리튬이온 전도도는 전해질 내 리튬 이온의 이동 속도인데, 속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 충전 속도가 빠르다.

 

공동 연구팀은 산화물계 고체전해질 소재인 Li-La-Zr-O(리튬-란타넘-지르코늄-산소-LLZO)의 첨가물질 조정을 통해 리튬이온전도도를 기존보다 70% 개선(1.7 mS/cm, 센티미터당 밀리지멘스)했다고 설명했다.

 

연구에 따르면 배터리 용량도 크게 늘어날 수 있다. 액체 전해질을 사용한 리튬이온배터리의 최대 사용 전압은 최대 4.3V이지만, 산화물계 고체 전해질을 사용할 경우 최대 5.5V까지 늘어난다는 설명이다. SK온은 이를 배터리 제작에 적용할 경우, 이론적으로는 배터리 용량을 최대 25% 늘리는 것도 가능하다고 밝혔다.

 

고체 전해질은 현재 NCM 양극재를 기반으로 하는 전고체 배터리 외에도 차세대 배터리로 꼽히는 리튬-황 배터리와 리튬-공기 배터리를 전고체화하는 소재로도 활용할 수 있다.

 

또한 SK온이 개발하고 있는 것으로 알려진 고분자-산화물 복합 전고체 배터리에도 적용이 가능하다. 산화물계 고체 전해질은 고분자계보다 기계적 성질이 우수해 덴드라이트 현상을 억제하는 등 기존 고분자 전고체배터리의 한계를 극복할 수 있기 때문이다.

 

SK온이 이를 차세대 배터리에 적용한다면 화재 안전성과 장거리 주행 가능성을 모두 충족시킬 수 있을 것으로 기대된다.

 

최경환 SK온 차세대배터리연구센터장은 ”이온 전도도와 대기 안정성을 모두 갖춘 이 고체 전해질은 고품질의 전고체 배터리를 만들기 위한 혁신 기술로 파급 효과가 매우 클 것”이라며 자신감을 나타냈다.

 

LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 배터리, 2030년 황화물계 전고체 배터리 상용화 로드맵을 세우고 해당 기술 개발에 열을 올리고 있다. LG에너지솔루션에선 마곡 LG사이언스센터에 있는 전고체 배터리 개발부가 연구를 주도하고 있는데, 고분자계와 황화물계 두 종류 전고체 배터리를 동시에 개발 중인 것으로 알려졌다. 또한 KAIST 및 서울대학교 등과 산학협력을 맺고 관련 연구를 진행하고 있다.

 

한편 이차전지 전문 시장조사 기관 SNE리서치는 글로벌 전고체 배터리 생산이 지난해 0.06GWh에서 2025년 1GWh, 2030년 149GWh, 2035년 950GWh까지 폭발적으로 성장할 것으로 전망했다.

 

헬로티 이동재 기자 |

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