포스코: 한계를 뛰어넘는 차세대 혁신! ‘전고체 배터리’
차세대 배터리 '전고체 배터리'가 주목받고 있다. 현재 널리 사용되는 리튬이온전지는 에너지 밀도가 높아졌지만, 화재나 폭발 위험성도 내재하고 있다. 이를 극복하기 위해 등장한 것이 고체전해질을 사용하는 전고체 배터리다. 전고체 배터리는 가연성 액체 전해질 대신 고체전해질을 사용해 안전성을 대폭 높일 수 있다. 또한 에너지 밀도 향상, 고출력, 넓은 사용온도 범위, 단순한 구조 등의 장점을 지녔다.
전고체 배터리는 전해질 종류에 따라 황화물계, 산화물계, 폴리머계로 나뉜다. 그 중 황화물계가 가장 앞선 기술력을 보유하고 있어 활발히 연구되고 있다. 황화물계 전해질은 높은 이온전도도와 900Wh/L 이상의 에너지 밀도 구현이 가능해 우수한 성능을 자랑한다.
하지만 전고체 배터리 상용화에는 아직 기술적 과제가 남아있다. 고체전해질은 전극과의 밀착성이 떨어져 계면 저항이 증가하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 전해질-전극 간 접촉면 최대화 및 저항 최소화 기술 개발이 필요하다. 또한 상온에서의 이온전도도가 액체 전해질 대비 낮아, 우선적으로 온도 제어가 용이한 전기차나 ESS에 적용될 전망이다.
전고체 배터리 시장은 급성장이 예상된다. 2020년 약 6,160만 달러 규모에서 2027년 약 4억 8,250만 달러까지 연평균 34.2%의 높은 성장률을 기록할 것으로 전망된다. 이에 국내 배터리 3사도 기술 개발에 박차를 가하고 있다. LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계 모두 개발 중이며, 2026년과 2030년 각각 상용화를 목표로 한다. 삼성SDI와 SK온은 2027년, 2030년 황화물계 배터리 상용화를 계획 중이다.
이들은 핵심 기술 확보를 위해 국내외 대학, 연구기관 등과 협력 관계를 구축하고 있다. LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고 대학과 상온 고속충전 기술을, 삼성SDI는 삼성종합기술원과 장거리 주행 및 장수명 기술을 개발하고 있다. SK온은 미국 솔리드파워, 노벨상 수상자인 존 굿이너프 교수, 이승우 조지아공대 교수 등과 협업 중이다.
한편, 포스코그룹도 전고체 배터리 시장 진출에 적극 나서고 있다. 올해 산화물계 전고체 배터리 기업 프롤로지움에 지분 투자하고, 황화물계 고체전해질 생산도 본격화했다. 포스코JK솔리드솔루션의 고체전해질 생산공장이 10월 준공되어 연산 24톤 규모의 생산라인을 갖추게 되었다. 이는 국내 최대 규모로, 향후 수천 톤급으로 확대해 차세대 이차전지 소재 시장을 선점한다는 계획이다.
전기차 배터리 시장은 2018년 15.1조원에서 2023년 95.8조원까지 가파르게 성장할 전망이다. 리튬이온전지의 한계를 뛰어넘는 전고체 배터리 기술은 이 시장의 판도를 바꿀 '게임 체인저'로 평가받고 있다. 기술적 난제 극복과 상용화까지는 다소 시간이 걸리겠지만, 업계의 치열한 경쟁과 정부의 지원이 더해진다면 전고체 배터리 시대가 앞당겨질 수 있을 것이다. 특히 이차전지 강국인 한국이 전고체 배터리에서도 선도적 위치를 점할 수 있을지 귀추가 주목된다.
2023년01월04일 : 한계를 뛰어넘는 차세대 혁신! ‘전고체 배터리’