전고체 전지 기술 동향
<목차>
0. 요약
1. 전고체 전지의 개요
2. 관련 시장 동향
3. 전고체 전지의 기술 및 정책 동향
4. 시사점 및 결론
출처 및 참고자료
0. 요약
전고체 전지는 기존 리튬이온전지 대비 안전성이 크게 향상된 차세대 이차전지로서, 최근 빈발하는 전기차 배터리 화재 사고를 대폭 줄이고 전기차에 대한 불안감 해소 및 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다. 황화물, 산화물, 고분자, 하이브리드 등 다양한 전고체 전지 유형이 경쟁적으로 개발될 것이며, 2027년부터 양산이 시작되어 황화물계를 중심으로 시장이 확대될 것으로 전망된다. 전고체 전지의 가장 큰 수요시장은 전기차이며, 그 외 도심항공모빌리티(UAM), 웨어러블 디바이스 등도 전고체 전지에 적합한 수요시장으로 주목받고 있다. 계면저항 최소화, 안정성 향상, 소재 가격 절감, 전지 양산 공정 확립 등 전고체 전지의 기술적 이슈를 해결하고 상용화를 달성하기 위하여 세계 주요국들은 종합적 지원 대책을 수립하고 있다. 우리나라도 전고체 전지를 조기 상용화하고 전기차 시장을 선점하기 위해서 산학연의 혁신적 연구개발 아이디어가 효율적 양산화로 연결될 수 있도록 핵심 요소기술 및 양산화기술 개발에 대규모 R&D 지원 대책이 필요한 시점이다.
1. 전고체 전지의 개요
1) 기술의 개념
전고체 전지는 액체전해질 대신 고체전해질을 사용하여 기존의 리튬이온전지 대비 안전성이 크게 향상된 차세대 이차전지이다. 현재 상용화된 리튬이온전지는 카보네이트계 용매 기반의 액체전해질을 사용하고 있어 사용 중 용매 누출, 발화 및 폭발이 일어날 수 있으며, 안전성 측면에서 취약함을 지니고 있다.
전고체 전지는 전기차 화재 사고를 대폭 줄이고 전기차에 대한 불안감 해소 및 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다. 전 세계 배터리와 전기차 업체들은 조기 상용화를 목표로 연구 개발을 진행하고 있다.
2) 기술의 필요성
- 우수한 안전성
- 기존 리튬이온전지는 인화성 용매를 기반으로 하는 전해액을 사용하기 때문에 열폭주 등에 의한 화재와 폭발 가능성이 높다는 단점이 있으나, 전고체 전지는 발화 가능성이 매우 낮은 고체전해질을 사용하므로 안전성이 매우 우수하다.
- 넓은 사용온도 대역
- 기존 리튬이온전지는 고온에서는 기화나 발화 등의 위험으로 인해 불안정하고 저온에서는 이온전도도가 급격히 낮아져서 전지 성능이 떨어진다.
- 전고체 전지는 고온에서도 안정적일 뿐 아니라 저온에서도 이온 전달 특성이 상대적으로 우수한 고체전해질을 사용하므로 넓은 온도 대역에서 전지 사용이 가능하다.
- 높은 에너지밀도
- 기존 리튬이온전지에 사 용하 는 흑연계 음극에 비해 10배 이상 높은 용량을 지닌 리튬 금속을 음극으로 사용할 수 있는 전고체 전지는 높은 에너지밀도의 구현이 가능하다.
- 전고체 전지는 배터리 내부 공간을 효율적으로 구성할 수 있는 바이폴라 구조—전지의 직렬 연결의 경우 전지들을 연결하는 외부 도선 없이 전지들을 직접 적층하는 방식—를 구현하여 에너지밀도 향상이 가능하다.
2. 관련 시장 동향
전고체 전지는 2027년부터 양산이 시작되어 2035년에 전체 배터리 시장의 10~13%를 차지할 전망이다. 황화물, 산화물, 고분자, 하이브리드 등 다양한 유형의 전고체 전지가 서로 경쟁할 것이며, 황화물계를 중심으로 시장이 확대될 것으로 전망된다. 전고체 전지의 가장 큰 수요시장은 전기차이며, 그 외 도심항공모빌리티(UAM), 웨어러블 디바이스 등도 전고체 전지 수요시장으로 주목받고 있다.
1) 전기차
전기차는 전고체 전지의 가장 큰 수요시장이다. 세계 전기차(BEV, PHEV) 시장 규모는 연평균 23.2% 성장률을 보이며, 2028년 9,067억 달러 규모로 확대될 전망이다.
2) 도심항공모빌리티(UAM)
드론이나 플라잉카 등과 같은 도심항공모빌리티(UAM, Urban Air Mobility)는 화재나 추락 위험이 없어야 하며, 극도로 엄격한 안전 기준을 만족해야 한다. 안전성과 신뢰성이 매우 우수한 전고체 전지는 UAM의 안전 기준에 적합하다고 할 수 있다. 또한 전고체 전지는 바이폴라 셀 구조로 고출력화가 가능하기 때문에 UAM 분야에서 중요한 기술이 될 전망된다. 세계 드론 시장의 규모는 2018년 29억 달러에서 이후 연평균 4.7%씩 성장률을 나타내고 잇으며, 2028년 47억 달러 규모까지 확대될 전망이다.
3) 웨어러블 디바이스
TWS 이어폰, 스마트워치, 스마트 밴드 등 웨어러블 디바이스는 몸에 밀착하여 착용하는 기기이므로 배터리의 안전성이 중요하다. 기존 리튬이온전지는 안전성에 대한 불안감이 있어 웨어러블 디바이스에 가장 적합하다고 기대되는 전원 공급원은 전고체 전지이다. 특히 고분자계 전고체 전지는 특유의 유연성을 기반으로 인체 굴곡에 맞도록 다양한 형태의 배터리 디자인이 가능하므로 웨어러블 디바이스에 적합하다. 세계 웨어러블 디바이스 시장은 2021년 849억 달러에서 2026년 1,515억 달러로 증가할 전망이다.
3. 전고체 전지의 기술 및 정책 동향
1) 전고체 전지의 기술 이슈
- 전극/전해질 계면저항
- 기존 액체전해질은 젖음성이 우수하여 전극활물질 입자 계면을 완전히 감싸기 때문에 리튬이온 전달 면적이 넓고 액체를 통한 리튬이온의 이동이 원활하여 계면 저항이 낮다. 이에 비해 전고체 전지는 전해질과 전극 물질이 모두 고체 입자이므로 고체–고체 간 접촉 면적이 작고 고체 내 리튬이온의 이동에 저항이 걸려 이온 전달이 원활하지 않다.
- 또한 리튬이온이 전극활물질 입자 내에 들어가고 나오는 충ㆍ방전 과정에서 활물질 입자의 부피 변화에 따라 고체전해질/전극활물질 계면이 벌어지는 박리 현상이 일어날 수 있다.
- 전극 입자 표면 코팅 및 개질, 바인더와 버퍼 소재를 적용한 복합 전극 제조 등을 통하여 고체전해질/전극 입자의 계면저항을 최소화하고 계면 박리를 억제하는 연구가 진행 중이다.
- 고체전해질의 대기 및 수분 안정성
- 황화물계 고체전해질은 대기에 노출될 경우 수분과 반응하여 유독 가스인 황화수소를 발생한다. 즉 전고체 전지 사용 중에 외부 충격 등에 의하여 외장재가 파손되고 수분에 노출되면 유독가스에 의한 안전사고가 발생할 수 있다.
- 수분에 보다 안정한 고체전해질 조성을 개발하거나 제올라이트처럼 황화수소나 수분을 흡수할 수 있는 물질을 고체전해질에 추가하는 등의 연구 개발이 진행 중이다.
- 소재 및 공정 비용
- 황화물계 고체전해질은 액체전해질 대비 가격이 100배 이상 높게 형성되어 있다. La, Zr 등의 고가의 금속 원소를 사 용하 는 산화물계 고체전해질도 액체전해질 대비 가격 경쟁력 확보가 어렵다.
- 산화물계 전고체 전지는 원활한 성능 확보를 위하여 1,000℃ 이상의 고온 소결 공정이 요구되며, 황화물계 전고체 전지는 고체전해질/전극입자 계면 형성을 위하여 3,000~5,000기압의 가압 공정이 필요하다. 이에 따라 전지 양산을 위한 공정 비용의 증가가 수반된다.
- 소재 조성 제어, 합성 방법 및 양산 공정의 최적화 등을 통해 고체전해질 소재의 대량 생산과 소재 가격의 저감 연구가 진행 중이다. 또한 롤투롤 공정에 의한 전고체 전지 제조가 가능하도록 전지 제조 공정 연구도 진행 중이다.
2) 전고체 전지의 기술 동향
전고체 전지는 사용되는 고체전해질의 종류에 따라 황화물계, 산화물계, 고분자계로 구분할 수 있으며, 황화물계 전고체 전지의 성능이 가장 우수하여 상용화에 대한 기대가 높다.
- 황화물계 전고체 전지
- 황화물계 고체전해질의 이온전도도는 상온에서 1~10mS/cm를 나타내어 산화물계 및 고분자계에 비하여 가장 우수하다. 또한 비교적 양호한 연성을 지니고 있어 상온 가압 공정만으로 고체전해질/전극입자 간 원활한 계면 형성이 가능하고 대면적 및 후막 전지 구현이 가능하다는 장점을 지니고 있다.
- 그러나 전지 제조나 사용 중 대기 노출 시에 수분과의 반응으로 유독 황화수소가 발생한다. 현재 황화물계 고체전해질의 핵심 소재인 황화리튬의 가격이 고가이므로 저가 합성 및 대량 생산 공정 등 기술 개발이 필요한 상황이다.
- 또한 전지 제조에 3,000기압 이상의 가압 공정이 필요하므로 이에 적합한 양산 공정 개발이 중요하며, 전지의 원활한 작동을 위한 외부 압력 인가 장치도 필요하다 보니 배터리 시스템의 에너지밀도가 떨어지는 문제점을 안고 있다.
- 황화물계 전고체 전지는 다른 전고체 전지에 비하여 성능이 우수하고 대량 양산화에 유리하므로 최근 많은 업체들이 전고체 전지 양산을 목표로 개발하고 있다. 대표적으로 일본의 토요타, 한국의 삼성SDI, 미국의 솔리드파워 등이 시제품과 함께 개발 로드맵을 제시하ㅁ면서 전고체 전지 상용화를 서두르고 있다.
- 삼성SDI는 전고체 배터리 “900Wh/L ASB” 양산 로드맵을 공개하고 화재 위험성을 획기적으로 줄이면서 주행거리를 늘리고, 현재 양산 중인 리튬이온전지 대비 약 40% 정도 높은 에너지밀도를 지닌 전고체 전지를 개발하여 2027년 양산을 목표로 하고 있다.
- 일본 토요타 는 전고체 전지를 2027~2028년에 상용화할 계획을 발표했다. 전고체 전지 탑재 전기차 는 10분 만에 완충할 수 있고 주행거리는 기존 전기차 대비 2배에 달하는 1,000km를 지향한다. 특히 토요타는 이데미츠코산(出光興産株式会社)과 전략적 협업을 통하여 고체전해질 양산기술 개발, 생산성 향상 및 공급망 구축에 힘쓸 계획이다. 두 기업은 전고체 전지와 그 재료인 황화물 고체전해질의 특허 건수에서 세계 최고 수준을 자랑하여 협업을 통하여 세계 표준을 선점하려고 하고 있다.
- 미국 솔리드파워는 황화물계 전고체 전지를 개발하고 있다. 현대차, BMW, SK온 등으로부터 투자와 제휴를 맺고 있다. BMW는 2025년 이전에 솔리드파워 기술을 기반으로 하는 데모 차량을 출시할 것이라고 밝혔다.
- 산화물계
- 산화물계 고체전해질은 대기 안정성이 우수하고 높은 열적ㆍ전기화학적 안정성을 지니고 있다. 기계적 강도가 매우 뛰어나 리튬 덴드라이트 형성 및 성장 억제가 가능할 것으로 기대된다.
- 그러나 산화물계 고체전해질의 강성이 매우 커서 고체전해질/전극입자 간 접촉 계면 형성이 매우 어렵고, 대면적 셀과 후막 전극 구현이 까다롭다. 이에 따라 원활한 계면 형성과 양산성을 위하여 산화물–고분자 하이브리드 고체전해질 형태로 많은 연구 개발이 진행 중이다.
- 산화물계 전고체 전지를 연구 개발 중인 업체로는 폭스바겐 등이 투자한 미국의 퀀텀스케이프가 있다. 퀀텀스케이프는 2022년 12월 전고체 전지 시제품을 전기차 업체에 테스트용으로 납품했다고 발표했다. 2024년 1월 폭스바겐은 퀀텀스케이프가 개발한 전고체 전지를 폭스바겐 차량에 적용하여 1,000회 이상 충ㆍ방전을 반복해도 셀이 95%의 용량을 유지하는 등 우수한 수명 특성을 유지한다고 발표했다.
- 고분자계
- 고분자계 전고체 전지는 유연성이 매우 우수한 고분자 전해질을 사용하므로 전해질/전극 계면 형성이 용이하며, 충방전 과정에서 일어나는 전극 물질의 부피 변화를 잘 수용할 수 있다. 또한 대기나 수분 접촉에서 안정적이고 롤투롤 공정으로 대량 생산이 가능하다는 장점을 지니고 있다.
- 그러나 상온에서의 이온전도 특성이 낮아 고온 작동이 필요하다는 단점을 지니고 있다. 또 고전압에서는 전기화학적 특성이 떨어지고 낮은 기계적 물성으로 리튬 덴드라이트 성장 억제가 쉽지 않아 전지 특성의 열화가 일어날 수도 있다.
- 고분자계 전고체 전지는 특유의 유연성을 바탕으로 다양한 형태와 디자인 구성이 요구되는 인체 밀착형 웨어러블 디바이스에 적용하는 것이 좀 더 효과적일 수 있다. 특히 웨어러블 디바이스는 항상 인체에 밀착하여 사용하므로 대기 및 수분 안정성이 우수하고 인체 유해성이 훨씬 낮은 고분자계 고체전해질의 특성에 잘 맞는다고 할 수 있다.
- LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 전지 양산을 목표로 연구 개발을 진행 중이다.
- 2012년 프랑스 볼로레 그룹의 자회사인 블루솔루션(Blue Solutions)은 고분자계 전고체 전지를 개발ㆍ양산하여 카쉐어링 블루카에 탑재하고 운영해 왔다. 리튬금속 음극, 리튬인산철 복합 양극 및 리튬염 함유 폴리에틸렌옥사이드 고분자 전해질로 구성된 전고체 전지가 사용되었으며, 60~80℃ 온도에서 작동했다. 또한 2020년 441kWh 용량의 전고체 전지를 메르세데스-벤츠 전기버스에 장착하여 운영 중이다.
3) 주요국별 정책 동향
- 일본
- 경제산업성은 리튬이온전지의 생산 능력을 확대하고 전고체 전지의 조기 상용화 및 대량 생산에 집중하 는 투트랙 전략을 추진하고 있다(2022년 8월 축전지산업전략).
- NEDO는 전기차 용 혁신 이차전지 개발 프로그램에 166억 엔을 투자하여 차세대 이차전지 관련 개발을 지원하고 있다.
- 경제산업성은 전고체 전지를 파급력이 가장 큰 기술로 인식하고 산학연관이 협력하여 기술 조기 상용화 및 2030년 전후 양산할 수 있도록 정책적 지원을 강화할 예정이다.
- 중국
- 2024년 1월 CATL, CALB, BYD, NIO 등 배터리 기업과 자 동차 기업이 참여하 는 전고체 전지 개발과 공급 체인의 구축을 지향하 는 컨소시엄(CASIP, China All–Solid–State Battery Collaborative Innovation Platform)이 결성되었다.
- CASIP의 설립 목적은 중국 내 업계의 공통 문제를 해결하고 기업 특화 기술을 발전시킴으로써 전고체 전지의 혁신과 발전을 촉진하기 위함이다. 전고체 전지의 빠른 상업화와 양산화를 실현하고 2030년에는 국제적으로 경쟁력 있는 공급 체인을 구축하는 것을 목표로 한다.
- 독일
- 2022년 1월 독일 연방교육부는 2018년부터 추진된 전고체 전지 역량 클러스터 사업인 ‘FestBatt’를 최근 2차 사업으로 확대하고 연장하기로 결정했다.
- FestBatt 2차 사업에 투입된 예산은 2,300만 유로로 1차 사업 기간 총 예산 1,600만 유로 대비 약 44% 증가한 규모이다. 독일 전역의 12개 연구소와 21개 연구 그룹이 참여 중이며, 민간 기업도 파트너십으로 참여한다.
- 한국
- 2023년 4월 산업통상자 원부는 “이차전지 산업경쟁력 강화 국가전략”을 수립하여 전고체 전지 세계 최초 상용화를 목표로 민관이 2030년까지 20조 원을 함께 투자하기로 했다. 세계 최초로 차량용 전고체 전지 양산 기술 확보를 목표로 안전성을 높인 전고체 전지, 주행거리를 늘린 리튬 금속 전지, 무게를 줄인 리튬황 전지 등 유망 이차전지 개발에 대한 지원을 밝혔다.
4. 시사점 및 결론
전고체 전지는 최근 빈발하는 전기차 배터리 화재 사고를 대폭 줄이고 전기차에 대한 불안감 해소 및 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 기대되므로 전 세계 배터리 기업과 전기차 업체들은 조기 상용화를 목표로 연구 개발을 진행하고 있다. 전고체 전지의 가장 큰 수요시장은 전기차이며, 그 외 엄격한 안전 기준이 필요한 도심항공모빌리티(UAM)와 인체에 대한 안전성 확보가 중요한 웨어러블 디바이스 등도 전고체 전지에 적합한 수요시장으로 주목받고 있다. 전 세계 주요국들은 전고체 전지를 유망한 차세대 이차전지 산업군으로 인식하고 상용화를 위한 다양한 산학연 연구 개발 지원 대책을 수립ㆍ발표하고 있다. 우리나라도 핵심 요소기술과 양산화 기술에 대한 맞춤형 R&D 지원, 대학/ 연구소의 다양한 혁신 아이디어가 민간의 양산화기술로 연결될 수 있는 협업 연구 지원 등 전고체 전지 조기 상용화와 시장 선점을 위한 정부 차원의 대규모 지원 대책 및 실질적 가교 역할 수행이 그 어느 때보다 중요한 시점이다.
출처 및 참고자료
1. 『전고체 배터리 및 고체전해질 개발 전모 및 향후 전망』, IRS Global, 2024.04.
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한국화학연구원 내부 자료
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Chemical Reviews, 2020.
Nano Energy, 2018.
Matter, 2021.
기업 자료: 삼성SDI, 토요타, BMW, Volkswagen, Mercedes-Benz
작성자
이정두 이차전지 PD / 한국산업기술기획평가원(KEIT) 배터리디스플레이실 김동욱 책임 / 한국화학연구원(KRICT) 에너지융합소재연구센터
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