2차전지 ) 전고체배터리와 LG에너지 솔루션, 기타 기업들

전고체 배터리는 화재 위험이 없고, 1회 충전으로 최대 800㎞까지 주행할 수 있어 전기자동차 시장의 ‘게임체인저’로 불린다. 

그동안 전기자동차의 잦은 화재위험으로  LG에너지 솔루션이나 LG화학은 여러 어려움이 노출되었다.

연내에 상장키로 했던  LG에너지 솔루션의 기업공개(IPO)도 불확실한 상황이다. 

이런 와중에 LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고대와 공동 연구를 통해 상온에서 충전할 수 있고, 500회 이상 충·방전이 가능한 전고체 배터리를 개발했다는 발표가 나온것은 고무적이다.

여기서는 전고체 배터리의 특징과  LG에너지솔루션을 비롯해 업계에서의 개발 상황을 정리해본다.

 

 

 

 

▶리튬이온 배터리와 전고체 배터리

현재 전기차에 대중적으로 사용되는 배터리는 이차전지의 일종인 리튬이온 배터리다.

이차전지는 계속 충전해 사용할 수 있는 배터리로, 방전되면 재사용이 불가능한 일차전지와 다르다.

리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 양극, 음극, 전해액, 분리막이다. 양극과 음극이 배터리의 기본 성능을, 전해액과 분리막은 배터리의 안정성을 결정한다고 할 수 있다.
리튬이온 배터리가 이차전지 시장을 주도하게 된 이유는 기존 이차전지의 단점이었던 메모리 현상이 없었기 때문이다. 메모리 현상이란 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전 시 배터리 수명이 줄어들게 되는 현상이다.

 

그러나 리튬이온 배터리는 온도에 민감해 폭발이나 화재 위험성이 크다는 치명적인 단점이 있다.

액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리 팽창, 외부 충격에 의한 누액 등이 발생하면 폭발할 가능성이 높다.

이와 달리 전해질이 고체 상태인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있어 폭발이나 화재 위험에서 자유롭다.

 

지금 전기차에 쓰이는 리튬이온 배터리에서 전고체 배터리로 진화할 경우 핵심 소재인 분리막은 사라지고 들어가는 원료와 이들의 배합 방식도 달라진다.

 

▶LG에너지솔루션의 전고체 배터리 특징 맟 과제

전고체 배터리는 화재 위험이 없고, 1회 충전으로 최대 800㎞까지 주행할 수 있다.

하지만 에너지 밀도가 높아 상온에서 빠른 속도로 충전할 수 없어 상용화가 어렵다는 지적을 받아왔으나 LG에너지솔루션은 이 같은 난제를 해결하게 되었고 , 배터리 수명도 500~1000회가량 충·방전할 수 있는 기존 리튬이온 배터리와 비슷한 수준으로 늘릴 수 있게 됐다.

기존의 전고체 배터리는 리튬이온을 이동시키는 데 고체 전해질을 적용한다. 충전은 60도 이상 고온에서만 가능하다.

양극에서 음극으로 리튬이온이 이동하면서 배터리가 충전되는 구조인데, 고체는 전기가 통하는 정도를 나타내는 전기 전도도가 액체보다 낮은 탓에 온도를 올려야 한다. 배터리 온도를 60도 이상으로 높이지 못하면 전기차 충전이 사실상 어려운 게 한계다.
LG에너지솔루션이 이번에 개발한 배터리가 상용화에 한 걸음 다가섰는데 상온 충전이 가능하도록 했기 때문이다. LG에너지솔루션은 문제 해결을 위해 전고체 배터리의 음극에서 도전재와 바인더를 제거했다. 대신 5마이크로미터(㎛·1㎛=100만분의 1m) 내외의 작은 입자인 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용했다. 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재보다 리튬이온을 품을 수 있는 용량이 10배 커 에너지 밀도를 높이는 필수 소재로 꼽혀왔다.
충전 가능 온도가 해결되면서 수명도 늘어난다는 평가이다.

고온에서 충전했던 원래 전고체 배터리는 충전 시 소재에 부하가 많이 걸려 수명이 짧았다. LG에너지솔루션의 배터리는 일반 리튬이온 배터리와 비슷하게 500회 이상 충·방전이 가능하다.

 

그러나 아직 넘어야 할 과제는 많다.

저온에서도 충전할 수 있는 기술을 개발이 필요하다. 북유럽 등 추운 지역이나 겨울철에도 원활하게 어떤 상황에서도 충전이 가능해야 한다.

또 리튬이온이 더 빠르게 이동할 수 있도록 전해질의 전기 전도도를 높여야 하는 것도 숙제다.

기술 개발을 마쳐도 대량 생산을 통한 수익성 확보라는 큰 허들이 남아 있다. 고체 전해질 가격이 높은 데다 생산 공정이 까다로워 이익을 내기 쉽지 않기 때문이다.

 

▶전고체 배터리의 개발 관련 기업

 

 

국내 배터리 기업의 경우 삼성SDI가 2025년 전고체 배터리 개발을 완료해 2027년에 상용화한다는 계획이다. LG에너지솔루션은 2027년 이후, SK이노베이션은 2030년 이전 각각 상용화 목표를 세웠다.

 

최근 분리막 사업 재진출을 선언한 LG화학 역시 전고체 배터리에 적용할 수 있는 단입자 양극재(양극재 금속을 하나의 입자로 구성한 것) 개발에 착수하는 등 제품 포트폴리오를 늘려가고 있다.

삼성SDI는 2027년 상용화를 목표로 삼성전자 종합기술원 등과 전고체 배터리를 개발 중이다. 삼성전자 종합기술원은 지난해 3월 1회 충전으로 800㎞ 이상, 1000회 이상 충·방전이 가능한 전고체 배터리를 학술지 네이처 에너지에 공개한 바 있다.

SK이노베이션은 노벨화학상 수상자인 존 굿이너프 미국 텍사스대 교수와 함께 전고체 배터리 중 하나인 리튬메탈 배터리를 연구해 2030년 양산한다는 목표다.

 

한편 SK이노베이션의 분리막 자회사 SK아이이테크놀로지는 분리막 수요감소 위험을 극복하기 위해 차세대 배터리 소재 및 전고체 배터리 소재로 사업을 확장할 계획이다. 이를 위한 인수·합병(M&A)도 가능할 것이란 관측도 나온다.

현대자동차도 2030년 양산을 목표로 전고체 배터리를 연구 중이다. 2025년엔 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 시범적으로 생산할 계획이다.

 현대차는 지난 2분기 실적 발표 행사에서 “다양한 업체와의 전략적 제휴 및 지분 투자로 차세대 배터리 기술 내재화 노력을 지속하고 있다”고 말했다. 현대차는 미국 솔리드에너지시스템에 1억달러를 투자해 리튬메탈 배터리 개발 경쟁에도 발을 들여놓았다.

 

 

고체 전해질을 양산할 수 있는 기술력을 확보하기 위한 경쟁도 치열하다.

지난해 KETI로부터 황화물계 고체 전해질 소재 기술을 이전받은 씨아이에스는 최근 고체 전해질 생산 능력을 증설한다며 대구 공장 부지를 매입했다. 최근 시리즈A 투자로 45억원을 유치한 솔리비스는 올해 안에 글로벌 2차전지 기업과 주요 자동차 생산기업에 샘플을 공급하고, 파일럿 생산라인 공장 건설에 착수할 계획이다. 

일진머티리얼즈는 이르면 2023년 전북 익산공장에 고체 전해질 생산 라인을 구축한다는 목표를 제시했다. 전해질 생산 업체 천보 역시 다른 2차전지 소재 회사들과 함께 고체 전해질 개발을 위한 국책 과제를 수행 중이다.

 

국내에서는 한국전자기술연구원(KETI)과 삼성SDI, 현대차, 이수화학이 국책 과제 수행을 통해 황화리튬 저가화 연구를 진행 중이다.전고체 배터리 종류 중 상용화 가능성이 가장 높은 황화물계 전고체 배터리는 황화리튬, 황화인, 염화리튬으로 된 전해질이 들어가야 한다. 이중 황화리튬이 70~80%로 대부분을 차지한다.

 

한농화성은 지난해 9월 국책과제 '리튬금속고분자전지용 전고상 고분자 전해질 소재 합성 기술 및 상용화 기술 개발'의 주관기업이다. 전고체 배터리 전해질을 개발 중이다.

 

도요타는 전고체 배터리 분야에서 가장 앞서 있다는 평가를 받는 기업이다. 2000년대 중반부터 전고체 배터리 연구를 시작해 보유한 특허만 1000개가 넘는다. 지난 7일엔 전고체 배터리를 장착한 프로토타입 전기차를 전 세계 최초로 공개했다. 도요타는 배터리 생산 및 개발을 위해 2030년까지 1조5000억엔(약 16조원)을 투자한다.

일본의 경우 현재 리튬이온 배터리 분야에서 한국, 중국에 뒤쳐진 상황이라 리튬이온 배터리에서 격차를 줄이려고 애쓰기보다는 차라리 그 다음 단계인 전고체 배터리에 승부를 걸고있는 것으로 보고 있다.