[인터배터리 탐방기] 전고체로 다가가는 배터리 기업, 그들의 노력을 살펴보다

[인터배터리 탐방기] 전고체로 다가가는 배터리 기업, 그들의 노력을 살펴보다

대학생신재생에너지기자단 26기 강민석, 이동주

 

전고체 배터리가 떠오르게 된 배경

최근 리튬이온전지는 전기차를 비롯한 다양한 애플리케이션에 폭넓게 활용되고 있다. 리튬이온전지(LIB, Lithium-ion Battery)는 다른 이차전지에 비해 수명, 충전 용이성, 방전율, 비용 등 여러 측면에서 우수한 성능을 보인다. 하지만 에너지 밀도, 가격, 안정성 측면에서 지속적인 개선이 필요하다. 

이를 위해 소재의 성능을 개선하는 방법도 있지만 전지의 타입을 바꾸는 방향으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 전고체 전지, 리튬황전지, 나트륨이온전지와 같은 포스트 리튬이온전지(Post-LIB) 또는 차세대 전지에 대한 관심이 높다. 이 중 전고체 전지는 리튬이온전지와 달리 전해질을 액체가 아닌 분말 형태의 고체로 대체하며 안정성, 에너지 밀도 향상, 원가 절감이 가능하다. 그러나 상용화를 위해서 해결해야 할 과제가 많으며,  각 기업들은 이를 극복하기 위해 다양한 연구를 진행 중이다. 앞서, 인터배터리 2025에서 확인한 바를 기반으로 현재 기업에서 진행하는 전고체 배터리에 대한 연구와 현황에 대해 자세히 알아보려고 한다.

 

전고체 배터리란?

전고체 배터리와 기존 리튬이온배터리의 가장 큰 차이점은 바로 전해질의 형태다. 기존 리튬이온배터리는 액체 전해질을 사용하는 반면, 전고체 배터리는 전해질을 포함한 배터리에 사용되는 소재들이 모두 고체라는 특징이 있다. 그렇다면 전고체 배터리는 왜 여러 종류의 차세대 배터리 중 가장 주목 받고 있을까?

[자료 1. 리튬이온배터리와 전고체 배터리의 구조 비교]

출처: 포스코뉴스룸

전고체 배터리의 대표적인 장점 중 하나는 바로 높은 안정성이다. 최근 들어, 리튬이온배터리를 탑재한 전기차, ESS 등에서 화재 및 폭발 사고가 급증하면서 배터리의 안정성은 이차전지 산업이 건재하기 위한 필수 요소다. 액체 전해질을 가진 리튬이온배터리와 달리, 전고체 배터리의 전해질은 그 자체로 분리막의 역할을 한다. 따라서, 전해질이 양극과 음극의 접촉을 차단하므로 전고체 배터리의 안정성이 높다.

그리고 전고체 배터리는 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 전고체 배터리에서 전해질이 분리막의 역할을 함께 수행하기 때문에 분리막이 필요 없다. 따라서, 분리막이 차지하는 공간만큼 양극, 음극 활물질을 더 넣을 수 있다. 기존 리튬이온배터리는 배터리의 안정성을 높이기 위해 배터리 외장 케이스나 냉각장치 등이 들어가는데, 전고체 배터리의 경우 배터리의 높은 안정성 때문에 이와 같은 장치들을 단순화할 수 있다. 이러한 이유로 전고체 배터리는 높은 에너지 밀도를 가진다. 뿐만 아니라, 전고체 배터리는 -40°C~100°C의 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동한다는 장점이 있어 유망한 차세대 배터리로 떠오르고 있다.

많은 장점에도 불구하고, 전고체 배터리는 상용화되지 않았다. 낮은 이온 전도성과 높은 계면 저항과 같은 전고체 배터리의 단점을 극복하기 위한 기술이 아직 발전되지 않았고, 전고체 배터리의 생산 비용이 기존의 리튬이온배터리에 비해 매우 높기 때문이다.

이러한 상황에서, 국내 배터리 기업은 전고체 배터리 시장의 승리자가 되기 위해 새로운 소재나 공정법을 개발하는 등 각자의 위치에서 최선을 다하고 있다. 지금부터 인터배터리 2025에서 볼 수 있었던 국내 기업들의 전고체 배터리 시장 주도권을 잡기 위한 노력에 대해 자세히 알아 보자.

 

전고체 배터리의 상용화를 위한 대기업의 노력

① 롯데 화학군: 소재, 공정법 개발로 전고체 배터리 시장에서의 경쟁력을 확보한다.

롯데화학군에서는 인터배터리 2025를 통해 전고체 배터리를 구성하는 배터리 4대 소재로 사용할 수 있는 소재와 관련 기술을 선보이며, 전고체 배터리 시장을 공략하기 위한 그들의 의지를 드러냈다. 그들은 높은 이온전도성을 지닌 황화물계 고체전해질과 전기화학적 안정성이 우수한 할라이드계 고체전해질을 선보였다. 전고체 배터리의 전해질로는 대표적으로 황화물계, 고분자계, 산화물계 전해질 등이 있다. 이 중 황화물계 전해질은 전극과 전해질 간의 계면을 넓게 만들어 이온 전도도를 높이며, 고온에서도 안정적이라는 장점이 있어서 전기차 배터리용 전해질로 떠오르고 있다.

[자료 2. 전고체 전지용 양극재 핵심 기술 개발]

출처 : ⓒ26기 강민석

롯데화학군은 이번 인터배터리를 통해 황화물계 전해질에 신규 원소를 도핑하여 이온전도도를 향상하고, 수분 안정성을 높일 수 있는 고체전해질을 개발할 예정이라고 밝혔다. 뿐만 아니라, 표면 개질을 통해 전해질과의 부반응을 억제하고, 열 안정성과 이온 전도도를 향상할 수 있는 양극재 표면 코팅 소재/공정에 관한 기술을 확보할 예정이다. 그리고 롯데 화학군에서는 metal oxide계 이중 코팅 및 고상 공정을 적용한 표면 개질 기술을 개발해 부피 변화와 구조 변성을 억제하고 전해질 부반응을 방지하는 것을 목적으로 연구/개발을 활발히 진행하고 있다. 이와 같은 기술을 통해 전고체용 양극재의 성능 열화 원인인 계면 분리와 크랙 등을 개선할 수 있을 것으로 보인다.

[자료 3. 할라이드계 전해질의 결정구조]

출처 : IRS Global

할라이드계 전해질은 최근 들어서 급부상하게 된 고체 전해질 계의 유망주다. 할라이드계 물질은 원소주기율표 17족에 위치한 염소와 같은 할로겐 원소와 리튬, 금속 원소로 이루어진 화합물로, (M은 금속 원소, X는 할로겐 원소)와 같은 조성을 가진다. 할라이드계 전해질은 일본의 파나소닉이라는 기업에서 처음 실용화 가능성을 제시한 이후, 중국에서 활발하게 개발 중이다. 그리고 우리나라의 롯데화학군 역시도 할라이드계 전해질에 대한 연구와 개발을 시작했다.

할라이드계 전해질은 대부분 고전위 양극에 대한 안정성이 높으며 황화물계 전해질과 달리, 물과 반응하여 유해한 가스(H2S)를 분출하지 않는다는 장점이 있다. 또한, 산화물계 전해질과 비교했을 때, 계면 저항을 낮추기 쉽다는 장점이 있다. 할라이드계 전해질은 이온전도성이 우수하고 전기화학적으로 안정성이 높다는 장점이 있기 때문에 차세대 고체 전해질로 부상하고 있다. 이와 같이 롯데화학군은 전해질 소재 개발을 통해 배터리 소재 전문기업으로 도약하며 전고체 배터리 시장을 점유하기 위해 노력하고 있다.

② 삼성 SDI: 파일럿 라인을 구축한 현재 전고체 배터리 시장의 선두주자 

[자료 4. 삼성 SDI에서 구축한 파일럿 라인]

출처 : ⓒ26기 강민석

국내 배터리 기업 중 삼성 SDI는 전고체 배터리 시장의 대표적인 선두 주자라고 할 수 있다. 삼성 SDI가 2023년 3월에 수원 연구소 내에 국내 최초로 전고체 배터리 파일럿 라인을 구축했으며, 같은 해 6월부터 시제품의 생산을 시작했기 때문이다. 시제품을 생산하기 시작한 이후, 작년부터 글로벌 OEM 5개사들에게 전고체 배터리 샘플을 공급한 뒤 제품에 대한 평가를 진행하고 있다.

또한, 삼성 SDI에서는 울산에 마더 라인을 구축할 것이라고 밝혔다. 마더 라인이란 차세대 설계 및 공정 기술이 적용된 제품의 양산성을 검증할 수 있는 공장으로, 규모와 속도를 높여 양산에 대응하는 것을 목적으로 하는 시설이다. 그리고 이번 인터배터리에서 전고체 배터리의 상용화 시점을 2027년에서 2027년 하반기로 구체화하며, 전고체 배터리의 상용화를 위한 그들의 계획과 열정을 구체적으로 드러냈다.

삼성 SDI에서 생산할 전고체 배터리에는 ‘무음극 기술’이 적용된다. 여기서 무음극이란, ‘음극 활물질’이 없다는 의미로, 무음극 기술을 활용하면 음극재를 없애며 배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 높이고 수명을 늘릴 수 있다는 장점이 있다.

실제로 삼성 SDI는 지난해 개최되었던 인터배터리에서 업계 최고 수준의 에너지 밀도(900Wh/L)를 갖춘 전고체 배터리를 상용화할 계획이라고 밝혔다. 900Wh/L의 에너지 밀도를 가지는 전고체 배터리의 양산에 성공할 시, 전기차의 주행거리와 안전성을 크게 향상할 수 있다. 이를 통해 CATL, BYD 등의 중국 배터리 기업이 주도권을 가지고 있는 현재 전기차 시장의 판도를 바꿀 수 있기 때문에 삼성 SDI에서 생산할 전고체 배터리가 전기차 시장의 ‘게임 체인저’의 역할을 수행할 수 있을 것으로 보인다.

 

전고체 배터리의 상용화를 위한 중견기업 및 중소기업의 노력

① TDL: 고체전해질 생산의 새로운 공정법

TDL은 인터배터리 2025에서 기존과 다른 방식으로 산화물계 고체 전해질인 LLZO를 제조하는 기술을 선보였다. LLZO 고체 전해질은 수분과 반응하지 않아 안전하지만 이온전도도가 낮은 단점이 있다. 하지만 안정성이 뛰어나 음극에 리튬 금속을 사용할 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 

순수한 LLZO는 이온전도도가 낮거나 상 안정성이 부족해 특정 원소를 도핑해 성능을 개선해야 한다. LLZO는 입방정계와 정방정계의 상이 존재하며, 입방정계가 이온전도도가 높으므로 이 형태로 안정화시키는 공정이 필요하다. 하지만, 고온에서 정방정계로 변하기 쉬워 기존의 제조방식은 한계점이 명확하다. TDL은 이를 보완하기 위해 특정 원소를 La site 혹은 Zr site에 도핑해 성능을 최적화하는 방식을 고안했다. La site에 Ca, Sr를 도핑해 리튬 이온 농도를 최적화시켜 이온전도도를 향상시킬 수 있고, 전극-전해질 계면 저항을 개선할 수 있다. Zr site에는 Ta, Nb, Al을 도핑해 입방정계 LLZO를 안정화시켜 이온전도도를 높이고, Li 이온의 이동성을 높인다. 

또한, 기존에 사용하던 전구체 합성 방식의 공침법과 달리, TDL은 공침법과 테일러-쿠에트 흐름을 결합해 LLZO를 양산하는 기술을 선보였다. 이는 무기 산화물계 고체 전해질의 높은 이온 전도도를 보였고, 대량 생산, 고밀도 및 고품질 입자 형성을 가능하게 했다. TDL은 이러한 기술력을 기반으로 전고체 배터리 개발에 힘쓰고 있다.

② 로브: 폭넓은 소재개발

로브는 이번 인터배터리 2025를 통해 전고체 배터리용 양극재, 고체 전해질, 원료, 전도성 소재, 집전체까지 폭넓은 제품을 선보였다. 이를 통해 전고체 배터리 상용화를 가속화할 수 있는 기업으로 주목받고 있다.

로브는 니켈 함량 80%와 90%의 고용량 양극재를 결정구조에 따라 방전 용량을 갖춘 소재로 제시했다. 니켈함량이 높을수록, 다결정보단 다결정일 때 높은 방전 용량을 보였다. 이는 고에너지 밀도와 장기 수명을 만족시키는 고급 양극재 생산을 위한 것이다. 

또한, 로브는 산화물계와 황화물계 고체 전해질을 동시에 다루는 경쟁력을 갖췄다. 산화물계에서는 Li-La-Zr 기반 LLZO, Li-Al-M(Ti,Ge)-P-O조성 소재를 보였고, 황화물계에서는 황화리튬, 황화인산, 염산리튬등의 고순도 원료를 제공하며 다양한 배터리 타입에 대응할 수 있다.

이와 함께, 알루미늄, 구리, 니켈, 인듐 포일과 같은 집전체와 카본블랙, 카본 나노튜브 등 전도성 소재까지 개발하며 셀 제조에 필요한 전 과정 소재를 지원하고 있다. 특히 로브는 전고체 배터리 소재 뿐만 아니라  나트륨 이온 배터리에 필요한 소재도 개발한다. 이번 인터배터리 2025를 통해 배터리 소재 시장의 변화 속에서 기술력과 제품군을 모두 갖춘 로브의 향후 발전에 관심이 집중된다.

③ 솔리비스: 성능으로 증명

고체전해질 전문기업 솔리비스가 인터배터리 2025에서 고성능 고체전해질 신제품 2개를 선보이며 주목을 받았다.

이번에 공개된 제품은 양극 복합체용 고체전해질 SICON-C와 분리막용 고체전해질 SICON-S다. SICON-C는 이온전도도 49mS/cm, 입자크기 0.53㎛ 수준을 갖췄고, SICON-S는 이온전도도 912mS/cm, 입자크기 35㎛로, 모두 세계 최고 수준의 성능을 보였다.

솔리비스는 독자적으로 개발한 3세대 습식합성 양산 플랫폼을 통해 기존 대비 제조 공정을 간소화하고 원가를 낮췄다. 또한 고객사의 요청에 따라 입도나 이온전도도 조정이 가능한 맞춤형 생산 기술도 함께 선보이며 차별화를 보여줬다.

솔리비스는 이번 전시 기간 동안 글로벌 완성차 및 배터리 기업 30여 곳과 협의를 진행했으며, 올해 하반기 본격 양산을 앞두고 수주 기대감을 높였다. 이번 인터배터리 참가를 통해 솔리비스는 전고체 배터리 상용화를 이끄는 핵심 기업으로 입지가 넓어질 것으로 기대된다. 

 

전고체 배터리 시장의 전망 및 기술 개발의 필요성

인터배터리 2025를 통해 각 기업들의 불황을 이겨낼 기술인 전고체 배터리에 대해 알아볼 수 있었다.  또한, 국내 배터리사들이 나아가는 방향을 확인할 수 있었다. 국내 배터리 3사는 2027~2030년에 전고체 배터리 상용화 목표를 보여줬으며, 중소기업들은 전해질 관련 기술들을 선보였다. 

아직 전고체 배터리의 원천 기술 특허에서는 일본이 우세하지만, 중국, 미국, 우리나라 모두 상용화 예상 시기는 비슷한 것으로 보인다. 한‧중‧미‧일 모두 전고체 배터리 개발에 집중하고 있으며, 기술 우위를 확보하기 위한 경쟁도 더욱 심화될 전망이다.

전세계 기업들이 주목하고 있는 황화물계 아지로다이트 전고체 배터리는 고체 전해질 조성과 관련된 원천 특허가 2028년 만료된다. 이 시기에 맞춰 많은 기업들의 고체 전해질 양산이 이뤄질 가능성이 높은 만큼, 뛰어난 기술력을 갖춰야 할 것으로 기대된다.

전고체 배터리는 아직 해결해야 할 문제들이 있지만, 국내 기업들이 이에 대한 돌파구를 찾는다면 우위를 선점할 수 있을 것이라 예상한다. 이번 인터배터리 2025를 통해 전고체 배터리 상용화에 대한 기대감을 갖기에 충분했다. 앞으로 기업들의 방향성을 팔로업해보자.

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전고체 배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "황화물계 전고체 배터리: 상용화의 길", 25기 송현승, https://renewableenergyfollowers.org/4636

황화물계 전고체 배터리: 상용화의 길

2. "24년 전고체 배터리 현주소", 25기 백선우, https://renewableenergyfollowers.org/4474

24년 전고체 배터리 현주소

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참고문헌 

[전고체 배터리란?]

1) 포스코그룹 뉴스룸, “알기 쉬운 이차전지소재 이야기 : 꿈의 배터리라 불리는 전고체전지의 미래”, 2024.09.06., https://newsroom.posco.com/kr/%EC%95%8C%EA%B8%B0-%EC%89%AC%EC%9A%B4-%EC%9D%B4%EC%B0%A8%EC%A0%84%EC%A7%80%EC%86%8C%EC%9E%AC-%EC%9D%B4%EC%95%BC%EA%B8%B0-%EA%BF%88%EC%9D%98-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EB%9D%BC-%EB%B6%88%EB%A6%AC/

[전고체 배터리의 상용화를 위한 대기업의 노력]

1) 정현정, “삼성SDI, 울산에 전고체 배터리 생산라인 구축 추진”, 전자신문, 2025.03.18., https://www.etnews.com/20250318000281

2) 한장희, “삼성SDI, 전고체 배터리에 승부수 띄워…4500억 투입”, NEWSTOF, 2025.04.02., https://www.newstof.com/news/articleView.html?idxno=27394

3) IRS Global, “신소재/부품 전고체 전지를 위한 차세대 전해질, 파나소닉과 중국 세력이 선두 경쟁”, 2024.04.14., https://www.irsglobal.com/bbs/rwdboard/22131

[전고체 배터리의 상용화를 위한 중견기업 및 중소기업의 노력]

1) 김민석, “솔리비스, 이온전도도 향상 고체전해질 신제품 공개”, 2025.03.11., https://amenews.kr/news/view.php?idx=61049&utm_source=chatgpt.com 

2) 류은주, “전고체 스타트업 솔리비스, ‘인터배터리’서 신제품 첫 공개, 2025.03.10, https://zdnet.co.kr/view/?no=20250310083533&utm_source=chatgpt.com 

3) 정재원, “솔리비스, ‘인터배터리 2025’서 고체전해질 신제품 2종 공개…”글로벌 자동차‧배터리 기업 러브콜”, 2025.03.11., https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=351657&utm_source=chatgpt.com 

[전고체 배터리 시장의 전망 및 기술개발의 필요성]

1) 류은주, “전고체 배터리 경쟁…한‧중‧미‧일 ‘기술패권’ 누가 먼저잡나”, ZDNET Korea, 2025.03.02.,  https://zdnet.co.kr/view/?no=20250228192828