2025년 현재, 미국, 중국과 유럽 등 '글로벌 시장'은 점차 넓어지고 있다. EV판매 수요가 더 많은 국가로 확대됨에 따라 전기차 배터리에 대한 수요도 빠르게 증가할 것으로 예상된다는 것이 현재의 여론이다. IEA에서 발표한 자료, 'Global EV Outlook 2024'에 따르면 2030년까지 전기차 배터리 수요가 4.5배, 2035년까지 2023년에 비해 거의 7배 증가할 것으로 예상하고 있다. 해당자료에서 각기 다른 시나리오 (APS, NZE 등)에서는 2030년에 각각 5배와 7배, 2035년에 9배와 12배로 수요가 크게 증가했음을 시사했다.
그러나 우리는 한국인이기에, 한국인의 입장에서 이러한 예측에 대해 반박을 할 법하다. 2024년 8월, KDI에서 분석한 자료에 따르면 2010년 기준 44대였던 전기차 등록 대수는 정부의 보급 정책에 힘입어 5~6년간 증가한 반면, 2023년 이후 신규 등록 대수 규모가 전년 대비 줄어드는 양상을 보였다.
이러한 이유에는 또한 전기차 화재 이슈와 맞물려 2024년 1~8월 신규 전기차 등록 대수가 감소하는 추세를 보였다. 여기서 전기차 화재는 배터리에 대해 잘 알지 못하는 소비자의 입장에서 EV를 포함한 배터리 자체에 불안을 초래하는 대표적인 요소로 알려져 있다.
실제로 2025년 하반기, 한국의 배터리 3사 중 LGES를 제외한 기업들의 경우 적자를 면치 못했다. 이러한 결과는 배터리시장이 현재까지도 얼어붙었기 때문으로 분석할 수 있다. 중국의 LFP 상업화에 대해 한국기업들은 EV시장에서 ESS시장으로 확장시키는 행보를 보이는 가운데, 모든 배터리는 결국 '성능과 안정성'이라는 결론으로 귀결되는 상황이다.
전고체 기술에 대한 간단한 소개
전고체 배터리(ASSB)가 리튬이온배터리(LIB)로부터 얻을 수 있는 이론적 장점은 '안전성 향상'과 '에너지 밀도 증가'로 말할 수 있다. 이러한 이유를 흐름에 맞춰 간단히 설명하고자 한다.
위 자료에 나타난 것처럼 가장 주목해야 할 부분은 전해질의 상(Phase)이다. ASSB와 LIB와의 차이점은 액체(Liquid) 전해질을 고체(Solid)로 대체하는 것에서 출발한다.
기존 LIB는 비수계유기전해질을 활용해 왔다. 비수계유기전해질로는 에틸렌카보네이트(EC)와 같은 유기용매와 LiPF₆와 같은 리튬 염(Salt) 활용해 왔다. 물과 같은 수계전해질을 활용하지 못하는 것은 리튬이온배터리의 작동전압이 3.5~4V인 반면, 물은 약 1.2V에서 분해되기에 이러한 비수계유기전해질을 활용한다. 그러나 이러한 전해질은 유기(Organic)라는 점에서 작동 간 온도가 상승하는 배터리의 특성상 화재를 불러일으키기에 충분하다.
또한 음극과 전해질 계면에서 발생하는 덴드라이트(Dendrite)로부터 음극과 양극이 맞아 전기적 단락(Short) 발생하는 것 또한 화재의 원인으로 지목할 수 있다. 덴드라이트는 음극의 종류에 상관없이 배터리 작동 간, 리튬에 의해 자연적으로 발생하는 현상이다. 기존 LIB의 에너지밀도를 높이기 위해 음극을 흑연(Graphite)에서 리튬금속(Li-Metal)로 활용하고자 하는 추세에서 덴드라이트에 의한 안전성 문제에 대한 논의는 끊임없이 이어지고 있다.
이러한 맥락으로부터 고안된 전고체배터리는 비수계유기전해질을 활용하지 않기에 전해질 자체에 의한 안전성을 극복해 낼 수 있다. 나아가 기존의 고체/액체계면과 달리 고체/고체계면에서는 리튬확산과 같은 고체-고체 접촉 기반의 계면 반응이 상대적으로 제한되어 균일한 SEI 형성으로부터 덴드라이트 문제를 일부 해결하고, 전해질 내부에서 전기화학적 환원 반응(내부 plating) 발생 가능성이 낮아 덴드라이트의 내부 성장 경로를 차단할 수 있다.
또한 전고체배터리가 배터리의 에너지밀도를 향상시키는 것을 앞서 이해한 원리와 물리적인 시선만으로도 이해할 수 있다. 전해질을 바꾼다는 행보로부터 에너지밀도를 높이는 것은 전해질이 압도적인 성능을 지니기 때문이 아닌 전고체로부터 기존 배터리에 사용되는 분리막(separator)을 사용하지 않는다는 점에서 부품의 간소화 및 부피를 줄이는 것이 가능하기 때문이다. 부피를 줄이는 것은 보다 얇은 전해질로 나아가는 것이 가능하고, 특히 액체전해질에 의한 덴드라이트 문제로 제한받지 않기에 리튬금속을 음극으로서 활용함에 따라 배터리를 더 얇게 제조하는 것이 가능하다. 따라서 EV, ESS 등으로 활용하는 데 있어 동일한 부피에 더 많은 배터리를 추가하는 것이 가능하기에 결과적으로 에너지밀도를 높이는 것이 가능하다.
그러나 전고체기술은 배터리 3사의 경우 파일럿라인 구축까진 완료됐으나, 상용화 시제품을 내놓진 못했다. 이러한 이유에는 이후 소개할 각 기술의 단점들도 있지만, 이를 관통하는 핵심적인 이유는 액체에 비한 이온전도도(Ionic Conductivity)가 한계로 여전한 연구과제이기 때문이다.
전고체는 통상적으로 이온전도도가 낮은 이유가 고체이기 때문이다. 본래 LIB에서는 액체전해질에서 Li이온이 농도구배에 의해 액체를 타고 유연하게 이동했지만 고체에서는 이러한 메커니즘이 통하지 않는다. 황화물계 전고체의 경우 황화물 격자, 결정립계를 따라 이온이 이동하며, 고분자 전고체의 경우 폴리머 가지(matrix)를 타고 이온이 이동하게 된다. 다시 말해 기존에는 이온 이동에 제약이 없었지만, 전해질이 고체라는 점에서 이온은 액체에서처럼 자유롭게 움직이지 못하고 격자 및 결정립계를 통과해야 하므로 고체나 폴리머 내에서 이동이 제한된다. 이러한 사유로부터 고체 전해질의 전도도는 액체 전해질보다 2~4 자릿수 낮다.
또한 활성화 에너지 장벽 및 온도에 유독 의존하게 된다. 저온의 경우 액체전해질과 마찬가지로 이온의 이동성 감소가 야기되는데, 이는 액체보다 더 심화된다. 이에 따라 더 높은 활성화 에너지 장벽을 마주하게 된다. 고온과 같이, 온도가 높아지면 이온은 더 많은 열 에너지를 얻어 활성화 에너지 장벽을 극복하고 고체 전해질 격자를 통해 더 자유롭게 이동할 수 있다. 따라서 고체 전해질의 이온 전도도는 온도가 높아질수록 증가한다. 그러나 이러한 공식은 일부 전고체에서 통하지 않는다. 고분자의 경우 온도가 높아지면 결정성이 낮아지게 되어 고분자가지를 타고 이온이동이 제약되기도 한다.
또한 결함 없는 계면 제조 및 유지가 어렵다. 이는 다시 말해 전극과 전해질 물질 사이의 균일하고 결함 없는 계면을 만드는 등 제조 과정에서 어려움이 따른다. 구체적으로 충전 및 방전 주기 동안 팽창과 수축을 겪으면서 결함이 발생하기 용이하다. 이는 주로 전기화학반응 중 고체 전극 물질 내에서 이온이 삽입 및 추출되면서 발생한다. 이러한 부피 변화는 기계적 응력, 용량 감소, 덴드라이트 형성 및 계면 불안정성을 유발할 수 있으며, 이는 재료에 비가역적인 손상을 입히고 고체 전해질-전극 계면의 치명적인 고장을 일으켜 배터리의 전체 수명에 영향을 미칠 수 있다. 실제로 전고체전지는 수명(cycle life) 성능을 충족시키기 어렵다.
ASSB, 상용화 될 수 있을까?
전고체 배터리의 개발은 에너지 저장 기술에서 중요한 패러다임을 가져올 것은 분명하다. 하나의 차세대기술로서 세대를 전환시킬 것이 분명 하나 여전히 차세대인 것이 문제이다.
본론에서 소개한 것처럼 안전성 향상, 에너지 밀도 증가, 새로운 응용 분야로서 배터리 업계에 숨을 불어넣을 것은 분명하다. 그러나 이를 위해선 재료 개발, 제조, 성능 최적화 측면에서 여전히 과제가 남아 있기에 지속적인 연구 노력과 첨단 계측 장비등 다양한 연구과제를 해결해야 할 것이다.
[이차전지 스터디] 대신기가 주목한 전고체 기술의 현재와 미래
대학생신재생에너지기자단 23기 김태현, 26기 류호용, 27기 조희선, 28기 이건혁, 정예빈
배터리의 패러다임을 가져올 기술
[자료 1. Electricity demand by mode, 2023-2035 (Last updated 14 Mar 2024)]
출처 : IEA
2025년 현재, 미국, 중국과 유럽 등 '글로벌 시장'은 점차 넓어지고 있다. EV판매 수요가 더 많은 국가로 확대됨에 따라 전기차 배터리에 대한 수요도 빠르게 증가할 것으로 예상된다는 것이 현재의 여론이다. IEA에서 발표한 자료, 'Global EV Outlook 2024'에 따르면 2030년까지 전기차 배터리 수요가 4.5배, 2035년까지 2023년에 비해 거의 7배 증가할 것으로 예상하고 있다. 해당자료에서 각기 다른 시나리오 (APS, NZE 등)에서는 2030년에 각각 5배와 7배, 2035년에 9배와 12배로 수요가 크게 증가했음을 시사했다.
그러나 우리는 한국인이기에, 한국인의 입장에서 이러한 예측에 대해 반박을 할 법하다. 2024년 8월, KDI에서 분석한 자료에 따르면 2010년 기준 44대였던 전기차 등록 대수는 정부의 보급 정책에 힘입어 5~6년간 증가한 반면, 2023년 이후 신규 등록 대수 규모가 전년 대비 줄어드는 양상을 보였다.
[자료 2. 전기차 화재]
출처 : Unsplash
이러한 이유에는 또한 전기차 화재 이슈와 맞물려 2024년 1~8월 신규 전기차 등록 대수가 감소하는 추세를 보였다. 여기서 전기차 화재는 배터리에 대해 잘 알지 못하는 소비자의 입장에서 EV를 포함한 배터리 자체에 불안을 초래하는 대표적인 요소로 알려져 있다.
실제로 2025년 하반기, 한국의 배터리 3사 중 LGES를 제외한 기업들의 경우 적자를 면치 못했다. 이러한 결과는 배터리시장이 현재까지도 얼어붙었기 때문으로 분석할 수 있다. 중국의 LFP 상업화에 대해 한국기업들은 EV시장에서 ESS시장으로 확장시키는 행보를 보이는 가운데, 모든 배터리는 결국 '성능과 안정성'이라는 결론으로 귀결되는 상황이다.
전고체 기술에 대한 간단한 소개
전고체 배터리(ASSB)가 리튬이온배터리(LIB)로부터 얻을 수 있는 이론적 장점은 '안전성 향상'과 '에너지 밀도 증가'로 말할 수 있다. 이러한 이유를 흐름에 맞춰 간단히 설명하고자 한다.
[자료 3. 리튬이온배터리(좌)와 전고체배터리 비교]
출처 : Biologic
위 자료에 나타난 것처럼 가장 주목해야 할 부분은 전해질의 상(Phase)이다. ASSB와 LIB와의 차이점은 액체(Liquid) 전해질을 고체(Solid)로 대체하는 것에서 출발한다.
기존 LIB는 비수계유기전해질을 활용해 왔다. 비수계유기전해질로는 에틸렌카보네이트(EC)와 같은 유기용매와 LiPF₆와 같은 리튬 염(Salt) 활용해 왔다. 물과 같은 수계전해질을 활용하지 못하는 것은 리튬이온배터리의 작동전압이 3.5~4V인 반면, 물은 약 1.2V에서 분해되기에 이러한 비수계유기전해질을 활용한다. 그러나 이러한 전해질은 유기(Organic)라는 점에서 작동 간 온도가 상승하는 배터리의 특성상 화재를 불러일으키기에 충분하다.
[자료 4. 리튬이온터리에서의 덴드라이트 형성간 단면]
출처 : LGES
또한 음극과 전해질 계면에서 발생하는 덴드라이트(Dendrite)로부터 음극과 양극이 맞아 전기적 단락(Short) 발생하는 것 또한 화재의 원인으로 지목할 수 있다. 덴드라이트는 음극의 종류에 상관없이 배터리 작동 간, 리튬에 의해 자연적으로 발생하는 현상이다. 기존 LIB의 에너지밀도를 높이기 위해 음극을 흑연(Graphite)에서 리튬금속(Li-Metal)로 활용하고자 하는 추세에서 덴드라이트에 의한 안전성 문제에 대한 논의는 끊임없이 이어지고 있다.
이러한 맥락으로부터 고안된 전고체배터리는 비수계유기전해질을 활용하지 않기에 전해질 자체에 의한 안전성을 극복해 낼 수 있다. 나아가 기존의 고체/액체계면과 달리 고체/고체계면에서는 리튬확산과 같은 고체-고체 접촉 기반의 계면 반응이 상대적으로 제한되어 균일한 SEI 형성으로부터 덴드라이트 문제를 일부 해결하고, 전해질 내부에서 전기화학적 환원 반응(내부 plating) 발생 가능성이 낮아 덴드라이트의 내부 성장 경로를 차단할 수 있다.
[자료 5. 리튬이온배터리(좌)와 전고체배터리 단면 비교]
출처 : sdinewsroom
또한 전고체배터리가 배터리의 에너지밀도를 향상시키는 것을 앞서 이해한 원리와 물리적인 시선만으로도 이해할 수 있다. 전해질을 바꾼다는 행보로부터 에너지밀도를 높이는 것은 전해질이 압도적인 성능을 지니기 때문이 아닌 전고체로부터 기존 배터리에 사용되는 분리막(separator)을 사용하지 않는다는 점에서 부품의 간소화 및 부피를 줄이는 것이 가능하기 때문이다. 부피를 줄이는 것은 보다 얇은 전해질로 나아가는 것이 가능하고, 특히 액체전해질에 의한 덴드라이트 문제로 제한받지 않기에 리튬금속을 음극으로서 활용함에 따라 배터리를 더 얇게 제조하는 것이 가능하다. 따라서 EV, ESS 등으로 활용하는 데 있어 동일한 부피에 더 많은 배터리를 추가하는 것이 가능하기에 결과적으로 에너지밀도를 높이는 것이 가능하다.
그러나 전고체기술은 배터리 3사의 경우 파일럿라인 구축까진 완료됐으나, 상용화 시제품을 내놓진 못했다. 이러한 이유에는 이후 소개할 각 기술의 단점들도 있지만, 이를 관통하는 핵심적인 이유는 액체에 비한 이온전도도(Ionic Conductivity)가 한계로 여전한 연구과제이기 때문이다.
전고체는 통상적으로 이온전도도가 낮은 이유가 고체이기 때문이다. 본래 LIB에서는 액체전해질에서 Li이온이 농도구배에 의해 액체를 타고 유연하게 이동했지만 고체에서는 이러한 메커니즘이 통하지 않는다. 황화물계 전고체의 경우 황화물 격자, 결정립계를 따라 이온이 이동하며, 고분자 전고체의 경우 폴리머 가지(matrix)를 타고 이온이 이동하게 된다. 다시 말해 기존에는 이온 이동에 제약이 없었지만, 전해질이 고체라는 점에서 이온은 액체에서처럼 자유롭게 움직이지 못하고 격자 및 결정립계를 통과해야 하므로 고체나 폴리머 내에서 이동이 제한된다. 이러한 사유로부터 고체 전해질의 전도도는 액체 전해질보다 2~4 자릿수 낮다.
또한 활성화 에너지 장벽 및 온도에 유독 의존하게 된다. 저온의 경우 액체전해질과 마찬가지로 이온의 이동성 감소가 야기되는데, 이는 액체보다 더 심화된다. 이에 따라 더 높은 활성화 에너지 장벽을 마주하게 된다. 고온과 같이, 온도가 높아지면 이온은 더 많은 열 에너지를 얻어 활성화 에너지 장벽을 극복하고 고체 전해질 격자를 통해 더 자유롭게 이동할 수 있다. 따라서 고체 전해질의 이온 전도도는 온도가 높아질수록 증가한다. 그러나 이러한 공식은 일부 전고체에서 통하지 않는다. 고분자의 경우 온도가 높아지면 결정성이 낮아지게 되어 고분자가지를 타고 이온이동이 제약되기도 한다.
또한 결함 없는 계면 제조 및 유지가 어렵다. 이는 다시 말해 전극과 전해질 물질 사이의 균일하고 결함 없는 계면을 만드는 등 제조 과정에서 어려움이 따른다. 구체적으로 충전 및 방전 주기 동안 팽창과 수축을 겪으면서 결함이 발생하기 용이하다. 이는 주로 전기화학반응 중 고체 전극 물질 내에서 이온이 삽입 및 추출되면서 발생한다. 이러한 부피 변화는 기계적 응력, 용량 감소, 덴드라이트 형성 및 계면 불안정성을 유발할 수 있으며, 이는 재료에 비가역적인 손상을 입히고 고체 전해질-전극 계면의 치명적인 고장을 일으켜 배터리의 전체 수명에 영향을 미칠 수 있다. 실제로 전고체전지는 수명(cycle life) 성능을 충족시키기 어렵다.
ASSB, 상용화 될 수 있을까?
전고체 배터리의 개발은 에너지 저장 기술에서 중요한 패러다임을 가져올 것은 분명하다. 하나의 차세대기술로서 세대를 전환시킬 것이 분명 하나 여전히 차세대인 것이 문제이다.
본론에서 소개한 것처럼 안전성 향상, 에너지 밀도 증가, 새로운 응용 분야로서 배터리 업계에 숨을 불어넣을 것은 분명하다. 그러나 이를 위해선 재료 개발, 제조, 성능 최적화 측면에서 여전히 과제가 남아 있기에 지속적인 연구 노력과 첨단 계측 장비등 다양한 연구과제를 해결해야 할 것이다.
다음 기사에선 이러한 한계를 극복하는 노력에 대해 알아보고자 한다.
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참고문헌
[배터리의 패러다임을 가져올 기술]
1) 김현석, KDI, "다음 차는 전기차? 망설임과 기다림, 그리고 엇갈림 ", 2024.08, https://www.kdi.re.kr/share/kdiansView?art_no=38&season=3&year=2024&utm
2) IEA, "Electricity demand by mode, 2023-2035", 2024.03.14, https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electricity-demand-by-mode-2023-2035