배터리 3사, 2027년 상용화 전력질주
황화물계·고분자계 연구개발 매진
국내 업체와 핵심소재 R&D 협력도

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# LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션 등 K-배터리가 2027년 전고체 배터리를 상용화한다는 목표로 연구개발(R&D)에 매진하고 있다. 국내 배터리 3사는 1991년 리튬이온 배터리를 세계 최초로 개발한 일본보다 먼저 전고체 배터리를 만들겠다는 의지를 내보였다. 2025년 전고체 배터리 시제품 공개를 선언한 삼성SDI를 필두로 K-배터리 전고체 배터리 양산과 소재 국산화 전략 등을 들여다본다.

◇K-배터리 2027년 전고체 배터리 상용화

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<삼성SDI 연구원들이 배터리셀을 살펴보고 있다>

총성은 삼성SDI에서 먼저 울렸다. 삼성SDI는 2025년 전고체 배터리 시제품을 공개하고, 2027년 전고체 배터리 양산에 나선다는 목표다.

전고체 배터리는 차세대 전기차 배터리다. 전지의 리튬 이온이 오가며 충방전 성능을 강화하는 전해질을 액체에서 고체로 바꾸는 원리다. 전해질이 액체 상태로 불안정하면 화재 위험이 있는데, 고체 전해질을 쓰면 충분한 에너지 밀도를 구현하면서 화재 위험성을 막을 수 있다.

삼성SDI는 SDI연구소에 전고체 배터리 전담 조직을 탄력적으로 꾸려 대응하고 있다. 해당 조직 규모만 최소 수십명 이상으로 알려졌다. 조직은 전고체 분야 전문 인력을 지속 확대하고 있다. 하이니켈 배터리에 이어 전기차 배터리 분야 차세대 전고체 전지를 개발하기 위해서다.

장혁 삼성SDI 연구소장은 황화물계 전고체 배터리 기술 개발에 집중하고 있다. 황화물계 전고체 전지는 이온 전도도가 높은 리튬 황물질 기반의 전고체 배터리다.

장 소장은 최근 인터배터리 행사에서 “일본의 소니보다 앞서 우리나라가 전고체 배터리를 상용화하겠다”며 강한 의지를 보였다.

삼성SDI는 전고체 전지 핵심 소재 내재화뿐 아니라 국내 업체들과 전고체 소재 개발을 위해 협력하고 있다. 고체 전해질을 만드는 정관과 황화물계 고체 전해질 테스트가 이르면 내년 완료될 전망이다. 장 소장은 에코프로비엠, 일진머티리얼즈 등과 함께 전고체 배터리 핵심 소재도 국산화하겠다는 각오다.

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<LG에너지솔루션 연구원들이 배터리 성능을 점검하고 있다>

LG에너지솔루션은 전고체 배터리 프로젝트팀을 운영 중이다. 프로젝트팀은 황화물계, 고분자계 전고체 배터리를 함께 개발 중이다. 2027년 양산을 목표로 차세대 전고체 배터리를 개발하고 있다. 삼성SDI와 마찬가지로 황화물계 전고체 배터리 개발에 집중하며, 국내 소재 업체들과 전고체 전지 상용화를 위해 협력하고 있다.

SK이노베이션은 대전 연구소에 차세대 배터리 조직을 구성해 전고체 배터리 기술 개발하고 있다. SK이노베이션의 전고체 배터리는 삼성SDI와 LG에너지솔루션이 개발 중인 모델과 다른 구조다. 전고체 배터리가 충전되면서 생기는 뾰족한 결정체인 덴드라이트를 막기 위한 보호층을 개발하고 있다. 비경질 글라스 등 유리막이 보호막 역할을 하며 전고체 배터리 최대 난제인 덴드라이트 문제를 해결하겠다는 각오다.

업계 관계자는 “K-배터리는 그동안 전고체 배터리에 대해 보수적 관점으로 바라봐왔다”면서도 “삼성이 전고체 전지 상용화 가능성을 열어놨다면 어느 정도 가시적 성과가 확인한 것으로, 소재 국산화를 기반으로 전고체 배터리 개발에도 기대를 걸어볼 만 하다”고 말했다.

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<SK이노베이션 연구원이 배터리를 들고 있다<사진=SK이노베이션>>

◇전고체 선택은 필수…소재 국산화는 도전 과제

K-배터리가 전고체 배터리를 개발하는 이유는 배터리 에너지 성능은 강화하면서도 안전성 이슈를 해결할 수 있기 때문이다. 업계에 따르면 전고체 배터리의 에너지 밀도는 리터당 900~1000Wh 수준이다. 리튬이온 배터리는 리터당 600Wh 수준으로 최대 1.5배 이상 에너지 밀도가 올라간다. 고체 전해질로 액체 대비 리튬 이온의 화학적 불안전성을 줄면서 분리막 없이 안전성을 강화할 수 있다.

이에 배터리 관리시스템(BMS) 등을 장착하지 않아도 돼 배터리 제조 원가를 크게 낮출 수 있다. 배터리 업계는 전기차 업체들의 요구에 맞춰 제조 원가를 줄이면서 에너지 성능을 올리고, 안전성까지 갖춘 '꿈의 배터리'를 공급할 수 있게 되는 셈이다.

업계에 따르면 토요타를 비롯한 일본의 주요 완성차 업체들도 전고체 배터리를 상용화에 나서며 한국에 넘겨준 배터리 주도권을 되찾기 위해 사활을 걸고 있다.

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<LG에너지솔루션 폴란드 공장.>
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<SK이노베이션 미국 공장>
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<삼성SDI 헝가리 공장>

LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션은 배터리 투자를 강화하면서 전고체 배터리 소재 내재화하려는 움직임을 보이고 있다. 양극재 및 음극재, 전해질 등 전고체 배터리 소재까지 국산화해 한국 배터리 기술 초격차 유지를 위해 안간힘을 쏟는다.

토요타는 일본 스미토모 메탈 마이닝과 배터리 개발에 속도를 내고 있다. 토요타는 자국에 배터리 생산 기지를 세우고 전고체 배터리 개발에 나선 것으로 알려졌다. 파나소닉과 협력해 세계 최초로 전고체 배터리를 개발하겠다는 각오다. 미국 솔리드 스테이트는 직접 전고체 배터리를 제조해 전기차 시대에 대응하겠다는 의지다.

이같이 글로벌 기업들이 전고체 배터리 개발에 사활을 걸고 있는 가운데 국내 배터리 기업들이 가장 먼저 상용화에 성공할 수 있을지 관심이다. LG에너지솔루션과 삼성SDI, SK이노베이션은 니켈 94% 이상 하이니켈 배터리 제조 기술을 바탕으로 안전성을 강화한 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다.

배터리업계 관계자는 “LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션은 니켈 90% 이상 하이니켈 배터리 기술을 그대로 유지하면서, 안전성을 강화한 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다”면서 “소재 전문 업체들과 협력해 전고체 배터리 개발에 나선다면 경쟁에서 충분히 앞서 나갈 것으로 기대된다”고 말했다.

김지웅기자 jw0316@etnews.com