전고체 전지 개발 동향 

미래 배터리 혁신의 키워드로 전고체 전지에 관심 집중

높은 안전성과 효율성 자랑하며 2030년 전후 상용화 기대

탈탄소와 친환경 흐름에 따라 미래 자동차 시장은 전기차 중심으로 빠르게 재편될 것으로 전망되고 있다. 전기 동력을 활용하는 전기차에서 가장 중요한 것은 차량용 배터리, 이차전지라고 할 수 있다. 글로벌 시장에서는 차세대 전기차 배터리로 단연 전고체 전지를 꼽는다. 기존 전지의 불안정성, 주행거리 등 많은 문제를 개선할 수 있는 핵심 키가 전고체 전지다. KDB미래전략연구소 산업기술리서치 센터의 산은조사월보(’23. 3. 5.), 전북연구원 이슈브리핑 303호(’24. 7. 18.) 자료 등을 토대로 전고체 전지 관련 동향을 살펴봤다.

모든 구성요소가 고체로 구성된 이차전지, 전고체 전지 

전고체 전지는 높은 안정성, 공간 활용도 등 기존 리튬이온 전지가 가진 기술적 한계를 극복할 수 있는 대안으로  큰 관심을 끌어 왔다. 향후 글로벌 전기차 시장의 확장 및 성장이 전망되는 가운데 전고체 전지는 잠재력이 매우 크다는 평가는 기정사실이 됐다.

전고체 전지는 전고체 리튬 이차전지(All Solid State Li-Battery)를 지칭한다. 액체 전해질을 사용하는 일반적인 이차전지와 같은 구조를 가지고 있지만, 구성요소가 모두 고체로 이루어진다는 점에서 큰 차이가 있다. 

양극활물질, 음극활물질 전해질로 구성되는 전고체 전지는 모든 구성요소가 고체라는 것이 가장 큰 특징이다. 현재 흔히 전기차 등에 사용되는 리튬 이차전지는 고체인 양극활물질, 음극활물질 분리막과 전해질 액체 등으로 구성되어 있다.  

작동원리는 전고체 전지와 기존 리튬 이차전지 모두 동일하게 리튬 이온 이동에 의한 충·방전으로 전력이 생성된다. 충전 시에는 양극활물질에서 리튬이온이 방출되고 방전 시에는 리튬이온이 양극활물질에 저장되어 전류를 생성한다. 하지만 충전과 방전에 따라 리튬 이온의 양극활물질 내부는 저장과 방출로 팽창·수축이 반복 되면서 피로가 누적되어 결정구조가 취약해지는 단점이 있다. 

전고체 전지는 기존 전지와 동일한 양·음극활물질을 사용하지만 분리막이 없으며, 전해질을 액체에서 고체로 대체한 것이 핵심 기술이라고 할 수 있다. 전고체 전지의 가장 큰 관건은 바로 전해질을 고체상태로 구현하는 것이다. 

기존 전지의 분리막은 기존 리튬 이차전지에서 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하는 역할을 해왔다. 전고체 전지에서는 고체 전해질이 분리막의 역할을 대체하여 별도 분리막이 없다. 기존 리튬 이차전지는 음극활물질로 흑연을 사용하지만 전고체 전지는 에너지밀도 향상을 위해 리튬금속도 음극재로 적용 가능하다. 이론상 리튬금속을 음극제로 활용할 경우 흑연 음극(372mAh/g) 대비 에너지밀도가 10배 이상(3,860mA/g)이다. 

우수한 안정사과 높은 에너지 밀도로 높은 혁신성

전고체 전지의 가장 큰 장점은 우수한 안전성이다. 전고체 전지는 가연성인 액체 전해질대신 불연성인 고체 전해질로 구성되어, 온도 변화에 따른 증발 및 외부 충격에 따른 누액 등의 문제가 없어 폭발 및 화재 위험으로부터 안전하다. 액체 전해질은 온도 변화에 따라 가스로 기화되며 전지의 팽창을 유발해 폭발을 초래할 수 있고, 외부 충격 등으로 전해질이 누출돼 화재 원인이 되고 있다.

기존 리튬 이차전지는 고온에서 사고 발생 확률이 높아서 사용이 제한되지만, 이에 비해 전고체 전지는 열적 안정성이 매우 우수하다. 

높은 에너지 밀도 또한 전고체 전지의 강점이라고 할 수 있다. 기존 전지는 액체 전해질을 저장해야 하기에 셀별 분리가 필요하다. 반면, 전고체 전지는 셀의 적층이 가능해 부피가 작아지고, 분리막도 생략해 기존 전지 대비 소형화에 유리한 이점이 있다. 여기서 적층은 집전체 양면에 양극과 음극이 결합된 구조로 전극을 제조하는 방식이다.

기존 리튬 이차전지는 여러 개의 셀(Cell)들을 직렬 혹은 병렬로 묶어 모듈(Module)을 구성하고, 이 모듈을 다시 여러 개 묶어서 팩(Pack)으로 조립하는 단계를 거친다. 

기존 리튬 이온 전지의 음극을 구성하는 흑연 대신 전고체 전지는 리튬금속을 적용하기 때문에 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 이를 통해 기존 전기차의 주행거리를 획기적으로 증가시킬 수 있다. 

전고체 전지의 안전성과 경제성에도 해결과제 산적 

전고체 전지의 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 분류된다. 현재로서는 황화물계 특성이 가장 우수한 것으로 나타나며 상용화에 대한 기대가 높은 상황이다. 고체 전해질로 언급되고 있는 세 가지를 세부적으로 살펴보면 장점과 단점이 극명하게 나타난다.

황화물계는 고체 전해질 중 이온전도도가 가장 우수하고, 접촉계면 형성이 용이하다. 하지만 황(S)이 수분(H2O)과 반응해 독성물질인 황화수소(H2S)를 발생시키므로, 제조 공정 및 주행 중 습도 제어가 매우 중요하다고 할 수 있다. 

산화물계는 이온전도도가 양호하고 공기 중 안전성이 우수하지만, 전해질과 전극 사이 접촉 계면 형성이 어려워 제조 공정상 고온 열처리가 필요한 상황이다. 

고분자계는 기존 액체 전해질 제조 공정과 유사해 생산이 용이하고 제조 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다. 하지만 낮은 이온전도도로 전지 출력이 열위하고, 고온 환경에서만 사용이 가능하다는 단점이 있다. 

전고체 전지 개발은 다양한 측면에서 장점과 단점이 극명하다. 기술적으로 극복해야 할 문제들도 산재해 있는 상황이며, 전 세계 기업들이 도전과 실패를 거듭하고 있다해도 과언이 아니다. 글로벌 주요 완성차 기업들은 자체적인 연구개발을 통하거나, 전고체전지 관련 기업들을 인수 및 합병해 상용화를 목표로 도전해 왔지만 유의미한 성과보다는 실패 사례가 더 흔하다. 무수한 기술적 난관을 극복했다고 해도 생산과 양산 과정에서의 경제성 문제도 해결해야 할 과제다. 고체전도체에서 기존 이차 전치의 액체 전해질 역할을 대신할 고체전해질 구성소재는 고가를 형성하고 있다. 전고체 전지가 시장을 형성하기까지 높은 단가 문제를 극복하는 것도 고민해야 할 부분이다. 

전고체 전지 완성을 위한 기술적 과제들

A. 고체 전해질의 작은 접촉계면, 계면저항 해결 필요

미래 차세대 밧데리로 주목받고 있는 전고체 전지 개발을 완성하기 위해서는 해결해야 할 기술적인 과제들이 존재한다. 

고체 전해질은 고체 양·음극활물질 사이 접촉계면이 작고, 계면저항(Interfacial Resistance)이 커서 전지 전체의 성능 저하를 야기시킨다. 계면저항이 커질 경우에는 양극과 음극, 고체 전해질 사이의 저항이 높아 이온전도도 저하된다. 기존 액체 전해질은 젖음성(Wettaility), 즉 ‘액체가 고체 표면을 감싸고, 접촉을 유지하는 능력’이 우수하다. 그렇기 때문에 양·음극 계면을 완전히 감싸 리튬이온이 이동할 수 있는 면적이 넓고, 액체를 통한 리튬 이온의 이동이 고체 전해질보다 저항이 낮아 이온전도도 뛰어나다.  

언급한 바와 같이 전고체 전지는 전해질과 전극이 모두 고체 상태다. 고체와 고체간 접촉 면적이 크지 않을 뿐만 아니라, 고체 내부에서 리튬 이온이 이동하기 때문에 이온전도도가 액체 전해질에 비해 떨어진다. 궁극적으로 전고체 전지의 성능을 개선하기 위해서는 전해질과 활물질 사이의 접촉 면적을 최대한 넓히고 계면저항을 최소화하는 작업이 필요한 상황이다.

B. 계면저항 줄이기 위한 다양한 공정 연구개발에도 난관

현재 고체 양·음극활물질 사이의 양계면저항을 줄이고 접촉면적을 넓히기 위해 압착공정, 고온공정, 표면코팅 등 다양한 방식이 시도되고 있다. 압착공정 방식을 살펴보면, 황화물계는 고무와 같은 무른 특성이 있어 ‘냉간압착(Cold Pressing)’ 시 소재가 기계적으로 변형되며 전극과의 접촉면적이 개선되는 효과가 있다.   

고온공정 방식은 말 그대로 고온을 활용하는 방식이다. 산화물계는 기계적 압착으로 접촉계면 형성에 한계가 있기 때문에 1,000℃ 고온에서 ‘동시 소결(Co-Sintering)’하는 공법이다. 이를 통해 정구조를 변화시켜 이온전도도 및 접촉면적을 넓혀준다. 표면코팅 방식의 경우 양·음극활물질 표면의 일부 또는 전체에 계면저항을 줄여주는 재료(Lix ,Lix등)를 얇게 코팅해 이온전도도를 높여준다. 

C. 전지 충전과 방전시 팽창문제와 전극계면 박리현상 

충전과 방전시 전극의 부피가 팽창하면서 발생하는 고체 전해질과 전극계면의 박리 현상도 해결해야 할 과제다. 전지는 충·방전 중 양극활물질과 음극활물질에 리튬 이온이 저장과 방출을 반복함에 따라 수축하거나 팽창한다. 이런 과정이 계속되다 보면 고체 전해질과 고체 전극간에 접촉면적이 감소하는 ‘계면박리’ 문제가 나타난다. 계면박리를 최소화하기 위해서는 엔드플레이트(End Plate)가 전지에 압력을 가하도록 설계하거나, 구조적으로 안정성을 높인 단결정 입자를 적용하는 등 다양한 방식이 연구되고 있다. 기존 다결정 입자는 충전과 방전시 부피가 팽창하고, 압축공정시 결정이 깨지며 전지 성능을 저해하지만, 단결정 입자는 구적적인 무결성으로 크랙을 방지하는 효과가 있다. 참고로 전지를 감싸고, 고정하는 엔드플레이트는 다양한 내외부 충격으로부터 전지를 보호해 안정성을 높여주는 한편 내부 셀이 팽창하지 않도록 막는 역할을 하는 핵심부품이다.

D. 리튬 음극 사용 시 발생하는 덴드라이트 생성 문제

전고체 전지에 리튬 음극을 사용할 경우 문제점은 충전과 방전이 반복되면서 음극 표면에 나뭇가지 모양의 돌기, 즉 덴드라이트(Dendrite)가 형성되고 화재가 날 수 있다는 점이다. 

리튬금속을 전지의 음극으로 사용하면 전지의 용량이 확대된다. 하지만 리튬금속 음극을 적용하면 충방전시 필연적으로 덴드라이트가 생성될 수 밖에 없으며, 이로 인해 전지 수명은 감소하고, 내부 단락이 발생해 화재로 이어질 가능성이 높아진다. 

덴드라이트 형성을 억제하기 위한 다양한 방법도 시도 중이다. 가장 많이 거론되는 접근 방식으로는 세 가지 정도가 있다. 먼저 리튬금속 음극 코팅을 하는 방식을 들 수 있으며, 리튬 금속 음극을 가루 형태로 제조해 표면적을 넓혀 전류 밀도를 낮추는 방식도 연구 중이다. 마지막으로는 리튬 금속 대신 Ag/C  나노복합층을 적용하는 방식을 꼽을 수 있다. 

E. 고체전지에 사용 가능한 고체전해질의 높은 단가 문제

비용적 측면에서도 고체 전지가 해결해야 할 부분이 있다. 고체 전지에 사용되는 고체 전해질의 단가가 높기 때문에 현재로서는 고체전지의 가격 경쟁력은 떨어지는 편이다. 

전고체에 활용될 수 있는 황화물계 전해질의 핵심 소재인 황화리튬(Li22)의 가격은 1kg에  1,500~2,000달러 수준으로 기존 전지의 액체 전재질보다 200배나 가격대가 높다. 현재 기존 전지에 사용되는 액체 전해질의 경우 1kg에 10달러 정도다. 

또한 고체전지의 산화물계 전해질인 란타넘(La), 지르코늄(Zr) 등 희소한 고가의 금속을 사용하더라도 가격 경쟁력 확보가 매우 어려운 상황이다.

글로벌 주요국 전고체 전지 정책 내놓고 활발한 지원

글로벌 주요국들은 전고체 전지와 관련한 산업적 관심도가 높은 상황이며 정책 수립 초기 단계라고 할 수 있다. 세계 각국은 전고체 전지의 기술경쟁력 확보를 위해 정부 차원에서 적극적으로 지원하고 있다. 

미국은 탄소중립과 세계 에너지 패권 경쟁에서 우위를 차지하기 위한 목적으로 차세대 배터리 관련 R&D 프로그램을 운영 중이다. 미국 에너지부는 미국 첨단배터리 컨소시엄(US Advanced Battery Concortium)과 파트너십을 체결해 차세대 배터리 기초연구를 지원하고 있다. 

중국은 ‘2020년 제14차 5개년 계획’에서 중국 과학기술부 첨단기술부서의 전고체 배터리 관련 특별 사업 3개를 배정하는 등 국가적 차원에서 전고체 및 차세대 배터리의 연구개발을 지원하고 있다. 중국 국무원은 ‘신에너지차 산업 발전계획(2021~2035)’을 수립해 신에너지차 핵심 기술관련 연구개발을 지원하며, 전고체 동력전지, 전기구동시스템 등 기술개발에 주력하고 있다. 

일본 경제산업성은 차량에 사용되는 배터리의 수요가 급증할 것으로 예측하고 2022년부터 2030년까지 전고체 전지를 포함한 차세대 배터리 축전지 모터 개발을 지원하고 있다. 경제산업성이 주관한 ‘축전지 산업전략 검토 민관 협의회’에서는 ‘2030년까지 안전성이 뛰어난 전고체 배터리의 상용화’를 목표로 발표하며 상용화 시기를 보수적인 관점에서 보고 있다.  

EU 지역에서는 ‘Horizon 2020’을 통해 유럽의 배터리 가치사슬을 강화하고, 전기자동차 시장 수요를 충족하기 위해 대량생산 가능한 전고체 배터리 재료, 구성 요소 및 아키텍처를 위한 프로젝트를 진행하고 있다. EU는 ‘전고체 프로젝트(All Solid-State Reliable Battery for 2025)’를 수립해 2030년까지 발전된 전고체 전지를 공개한다는 목표다. 

삼성SDI와 Toyota, 그리고 글로벌 기업들 개발동향

전기차 확산과 함께 글로벌 주요 기업들도 전고체 전지 연구개발과 양산을 위해 노력하고 있다. 글로벌 기업 중 일본 자동차기업 Toyota와 우리나라의 삼성SDI가 가장 적극적으로 전고체 전지 상용화를 추진 중에 있다. 두 기업들이 개발 중인 전고체 전지는 소재 및 조성 등에서 다소 차이를 보인다. 

Toyota는 1995년부터 자사의 전고체 전지 관련 특허권 확보를 시작으로 연구개발을 활발히 진행해 왔다. 2010년 이후부터 일본 국가단위의 대규모 산학 협력체를 구성해, 이른바 ‘All-Japan’ 전략으로 황화물계 전고체 배터리 개발을 진행해 왔다. Toyota는 2028년 황화물계 전지를 탑재한 전기차 상용화를 목표로 하고 있다.  

삼성SDI는 국내 최초로 파일럿 라인을 구축한 바 있으며, 2027년 황화물계 전지 상용화를 목표로 연구개발을 진행하고 있다. 이 외에도 전 세계 수많은 이차전지 제조사와 완성차 업체 등이 자체 보유 기술 및 유관  기업들과의 M&A등을 통해 전고체 전지 연구개발 및 상용화를 추진 중이다. 

미국의 전고체 전지 연구개발은 대학들이 중심이 되어 진행되어 오다가 독립된 기업형태로 진화되어 개발을 이어가는 모습을 보여준다. 미국 기업인 Solid Power는 2011년 콜로라도 대학에서 분사해 BMW, 포드, 현대차 및 삼성벤처투자 등으로부터 투자를 받아 320Wh/kg 전고체 전지를 개발 중이다. 또 다른 기업인 Solid Energy System도 2012년 MIT 연구소에서 떨어져 나와, 2021년 417Wh/kg 리튬 음극 전지를 공개하는 등 전고체 전지 개발을 활발하게 진행 중이다.  QuantumScape는 2010년 스탠퍼드 대학에서 독립해 폭스바겐과 합작투자로 400Wh/kg 이상의 전고체 전지를 상용화한다는 목표로 연구개발을 진행 중이다.  

현재 글로벌 시장에서는 전기차, 이차전지 및 전고체 전문 기업들이 M&A 및 기업 자체 보유기술를 통해 사업화를 활발히 추진하고 있다. 하지만 기술적 난제로 기업들은 사업을 철수하거나 출시 계획을 연기하는 등 상용화 일정이 지연되기도 한 사례가 많다.  

독일 기업인 Bosch는 2015년 미국의 전고체 전지 업체인 SEEO 인수했으나, 2018년 사업체 매각을 단행했다. 영국기업 Dyson은 2015년 미국 전고체 전지 업체 Sakti3 인수하고 연구개발을 추진했지만 2018년 사업에서 철수하기도 했다. Toyota의 경우도 첫 상용화 계획을 2021년으로 목표했다가 이후 2025년으로 연기됐고 이어 2028년으로 최종 목표가 변경됐다. 

아지로 다이트 VS LiSICON, 무음극 VS 흑연, 리튬 

전고체 전지에 활용 가능성이 있는 고체 전해질에는 소재별로 황화물계, 산화물계, 폴리며 등으로 나뉜다. 현재 황화물계에서는 아지로다이트, LiSICON 등의 연구개발이 활발하며, 산화물계는 NaSICON, Perovskite, Garnet 등이 주요하게 연구되고 있다. 폴리머 계열에서는 PEO 등을 위주로 연구개발이 이뤄지고 있다. 

기술적 측면에서 본다면 산화물계 고체 전해질이 황화물계보다 기술 난이도가 높은 편이다. 그런 이유로 황화물계 고체전해질이 먼저 시장에서 상용화될 것으로 예상된다. 

삼성SDI와 Toyota는 전고체 전지에 사용되는 전해질과 음극의 조성 및 소재에서 다소 차이가 있는 상황이다. 두 기업은 모두 전고체 전지의 전해질 소재로 황화물계를 선택하고 있지만 세부적으로는 상이하다. 

삼성SDI는 전고체 전지의 전해질로 ‘아지로다이트’를 중심에 두고 상용화를 추진하고 있지만, Toyota는 LiSICON계의 상용화를 추진 중이다. 삼성SDI가 고체전해질로 선택한 아지로다이트는 LiSICON 대비 가격경쟁력이 우수하나 습도에 매우 민감한 편이고 기계적 강도가 낮다는 단점이 있다. Toyota가 밀고 있는 LiSICON은 이온전도도가 높다는 장점이 있지만, 제조 비용이 높고 복잡한 조성으로 인해 양산성이 낮다는 단점이 있다. 

음극활물질의 경우 삼성SDI는 무음극(Anodless) 기술을 개발하고 있으며, Toyota는 흑연 또는 리튬 금속을 적용하고 있는 것으로 나타난다. 삼성SDI가 개발하는 무음극 기술은 덴드라이트 형성 억제에 효과적이지만 양산이 다소 어렵다는 문제가 있고, Toyota가 선택한 흑연은 용량의 한계가 있는 편이며, 또한 리튬 금속은 덴드라이트를 형성하는 문제를 안고 있다. 

전고체 전지 ’35년 글로벌 이차전지 시장 10% 비율 예상

글로벌 시장에서는 향후 미래 잠재 가능성을 높게 평가하고 있다. 전고체 전지는 기술적 난제를 안고 있지만 ‘꿈의 배터리’라는 기대로 큰 주목을 받고 있다. 

시장조사 업체 SNE리서치에 따르면, 전고체 전지는 2025~2027년을 기점으로 양산이 시작될 것으로 전망하고 있다. 2035년경에는 전고체 전지가 전체 글로벌 배터리 시장의 약 10%를 점유할 것으로 예상된다. 

글로벌 시장조사 기관인 Markets and Makets의 자료에 따르면 글로벌 전고체 전지 시장은 2020년 6,160만달러에서 2027년 4억 8,250만달러로 연평균 34.2%의 성장률을 보일 것으로 전망된다. 글로벌 전고체 배터리 시장은 아시아-태평양 지역이 연평균 41.2%로 가장 높게 성장할 것으로 예측되고 있다. 국내 전고체 전지 시장은 2020년 292만달러에서 2027년 3,229만달러로 연평균 41.0%의 성장률을 보일 것으로 전망된다. 

전고체 전지의 분야별 시장은 멀티셀 전고체 배터리가 연평균 52.3%로 가장 높은 성장률을 보일 것으로 예상된다. 

한국과학기술정보원의 2022년 자료에 따르면 응용분야별 전고체 전지 시장규모는 전기차, 에너지 하베스팅, 무선 센서, 의료 기기 분야에 대한 수요가 크며, 전기차와 에너지 하베스팅이 크게 성장할 것으로 전망했다. 전고체 전지의 경제적 가치가 높기 때문에 글로벌 주요국들도 국가적 차원에서 많은 지원과 관심을 쏟고 있다. 

우리 정부 전고체 포함 이차전지 소부장 R&D 적극 지원 

우리나라 정부는 전기차 배터리를 부품이 아닌 주력 기술로 받아들여 단독 정책을 수립하는 등 산업육성에 대한 정부의 의지가 높다. 

우리 정부는 2021년 ‘2030 이차전지 산업 발전 전략’을 발표하고 전고체 전지를 포함한 이차전지 관련 연구개발 지원 로드맵을 내놓았다. 여기에서 7대 차세대소재 중 하나로 전고체 배터리 필수 요소인 고체 전해질, 리튬금속 음극제, 리튬황 양극재 3가지를 선정했으며 미래선도품목에 포함시켜 나간다는 방침이다. 또한 글로벌 기술 주도권 확보를 위해 2차전지를 집중적으로 육성하고 보호해야 할 12대 국가전략 기술 중 하나로 지정하기도 했다. 

현재 정부는 전고체 배터리를 포함한 차세대 배터리의 인프라 조성을 위한 ‘차세대 배터리 파크’ 및 인력 양성도 지원하고 있다. 세부적으로 일반적인 2차전지와 다른 형태의 제조(드라이룸 생산 라인), 실증 평가(셀 성능, 신뢰성, 방폭 시험 등), 기업(2차전지 소·부·장 기업의 사업화, 애로기술 해소 등) 지원을 포함하고 있다. 과기정통부는 ‘차세대 전지 초격차 R&D 전략’수립을 착수하였으며 주요 내용 중에는 전고체 배터리가 포함됐다. 산업부는 민?관 합동 ‘이차전지 산업 혁신전략’을 발표해 차량용 전고체 배터리를 ’26년 상용화하는 것을 목표로 기술개발을 추진 중이다. 

정부는 2023년 4월 세계 최초로 전기차용 전고체 전지 상용화 목표를 천명하기도 했다. 2030년까지 20조원 규모의 민·관 R&D 투자 계획을 발표하는 등 정책적으로 관련 산업을 육성한다는 방침이다. 정부는 차세대 전지 개발을 위한 대규모 R&D를 추진하고, LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 이차전지 3사는 전고체 전지 시제품을 생산하는 혁신적 생산공정을 갖춘 ‘마더 팩토리(Mother Factory)’를 국내에 구축할 계획이다.