오늘은 전고체 배터리에 대해 알아보도록 하겠습니다.
전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리가 가진 한계점을 극복할 수 있는 차세대 배터리 기술로 주목받고 있습니다.
전고체 배터리는 고체 전해질을 사용해 안전성, 에너지 밀도, 수명 등에서 기존 배터리보다 우수한 성능을 제공할 수 있습니다.
이 글에서는 전고체 배터리의 개념, 기술적 장단점, 응용 분야, 시장 전망, 기술적 도전 과제, 그리고 미래 전망에 대해 자세히 알아보겠습니다.
1. 서론
전기차(EV), 에너지 저장 시스템(ESS), 휴대용 전자 기기 등 다양한 산업에서 배터리 기술은 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 그러나 기존의 리튬이온 배터리는 안전성, 에너지 밀도, 수명에서 한계가 있습니다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 **전고체 배터리(All-Solid-State Battery)**가 각광받고 있습니다.
전고체 배터리는 전해질을 고체로 대체하여 더 높은 안정성과 효율성을 제공합니다.
이 글에서는 전고체 배터리의 개념부터 시장 전망까지 심도 있게 다뤄보겠습니다.
2. 전고체 배터리란 무엇인가?
전고체 배터리는 전해질을 기존의 액체가 아닌 고체 물질로 대체한 배터리입니다. 리튬이온 배터리에서 리튬 이온은 액체 전해질을 통해 양극과 음극 사이를 이동하며 에너지를 저장하고 방출합니다. 반면, 전고체 배터리는 고체 전해질을 통해 이온을 이동시키기 때문에 전해질 누출로 인한 화재 위험이 낮고, 더 높은 에너지 밀도와 안정성을 제공합니다.
고체 전해질을 사용하기 때문에 전고체 배터리에는 양극과 음극 간 접촉을 막는 분리막이 필요하지 않습니다. 또한, 전해질 종류에 따라 황화물계, 산화물계, 고분자계(폴리머)로 나뉘며, 황화물계 전해질이 이온전도도가 높아 가장 유망한 재료로 연구되고 있습니다. 즉, 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 배터리를 의미합니다.
고체 전해질이 사용되기 때문에 양극과 음극 간 접촉을 막는 분리막도 필요가 없습니다.
3. 전고체 배터리의 장점과 단점
장점:
- 안전성: 액체 전해질을 사용하지 않기 때문에 화재나 폭발 위험이 적습니다. 특히, 전기차 사고 시 배터리 폭발 위험이 감소하여 안전성이 크게 향상됩니다.
- 에너지 밀도: 고체 전해질을 사용함으로써 부피 대비 에너지 저장 용량이 2배 이상 증가할 수 있어 전기차의 주행 거리를 대폭 늘릴 수 있습니다.
- 수명 연장: 고체 전해질은 충전과 방전이 반복될 때 열화 현상이 적어 배터리의 수명을 연장할 수 있습니다.
- 빠른 충전 속도: 고체 전해질의 이온 전도율이 높아 빠른 충전이 가능하며, 이는 전기차 사용자의 편의성을 크게 향상시킵니다.
단점:
- 높은 제조 비용: 생산 공정이 복잡하고 고체 전해질 제조가 아직 고가의 기술로 남아 있어 대량 생산을 통한 비용 절감이 어렵습니다.
- 기술적 어려움: 고체 전해질의 이온 전도성과 전극과의 접합 문제 등 여러 기술적 장애물이 존재합니다. 특히, 전극과 고체 전해질의 인터페이스에서 발생하는 저항 문제는 해결해야 할 주요 과제입니다.
- 연구 및 개발 단계: 전고체 배터리는 여전히 연구 및 초기 상용화 단계에 있으며, 많은 기술적 혁신과 실험적 검증이 필요합니다.
요약하면, 전고체 배터리는 많은 장점이 있지만, 고체 전해질의 특성상 배터리의 출력이 저하되는 단점도 있습니다.
리튬 이온이 고체 격자 사이를 이동해야 하기 때문에 액체 전해질 대비 ‘이온전도도’가 떨어지기 때문입니다.
이것은 마치 물체가 액체 사이를 이동하는 것보다 흙 사이를 이동하는 것이 어려운 것과 같은 원리입니다.
4. 전고체 배터리의 기술 발전 현황과 종류
전고체 배터리의 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 예를 들어, 일본의 토요타는 2025년까지 전고체 배터리를 장착한 전기차를 출시하겠다는 목표를 세웠으며, 미국의 퀀텀스케이프는 2020년 고체 전해질 기반 배터리 셀의 프로토타입을 공개하고 상용화를 위한 준비를 진행 중입니다. 삼성 SDI와 LG에너지솔루션 또한 전고체 배터리의 핵심 소재 개발과 상용화를 위해 연구에 집중하고 있습니다.
- 퀀텀스케이프: 고체 전해질의 이온 전도율을 크게 향상시킨 프로토타입을 발표하였으며, 기존 배터리보다 30% 이상 빠른 충전 속도를 가능하게 합니다.
- 토요타: 고체 전해질의 안정성을 높이고 대량 생산을 가능하게 하는 제조 공정에 대한 특허를 다수 확보하여 전기차 배터리의 상용화 속도를 높일 기틀을 마련하고 있습니다.
현재 상용화된 삼원계(NCM · NCA · NCMA), 리튬인산철(LFP) 배터리 대비 가격이 비싸서현재로서는 프리미엄급 전기차에 한해 탑재가 가능할 전망입니다. 이처럼 전고체 배터리 상용화를 위해서는 출력 · 가격경쟁력 등분야의 약점을 극복하기 위한 기술 개발이 필요합니다.
전고체 배터리 기술의 핵심인 고체 전해질은크게 황화물계 · 산화물계 · 고분자계(폴리머) 중심으로 연구 · 개발이 이뤄지고 있습니다. 업계에서는 ‘이온전도도’가 가장 높은 황화물계 고체 전해질에 기대를 걸고 연구 및 투자를 집중하고 있습니다.
5. 전고체 배터리의 주요 응용 분야
전고체 배터리는 특히 전기차와 같은 고용량 에너지 저장장치에서 높은 기대를 받고 있습니다. 전기차 제조업체들은 전고체 배터리의 높은 에너지 밀도와 안전성을 이용해 더 긴 주행 거리와 짧은 충전 시간을 제공할 수 있습니다. 고체 전해질을 사용하여 폭발 위험을 줄일 수 있어 소비자들에게 더 높은 신뢰성을 제공합니다.
- 드론 및 항공우주 산업: 가벼운 중량과 높은 에너지 밀도로 드론과 항공우주 산업에서 유망한 에너지원으로 평가받고 있습니다.
- 의료용 임플란트: 고체 전해질의 특성상 누출이나 화재의 위험이 없어 의료용 배터리로 적합합니다.
- 휴대용 전자 기기: 스마트폰, 노트북과 같은 전자 기기의 배터리 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 가능성이 있습니다.
6. 전고체 배터리의 시장 전망
전고체 배터리 시장은 향후 10년간 빠르게 성장할 것으로 보입니다. 시장 조사에 따르면, 전고체 배터리 시장은 2030년까지 연평균 성장률(CAGR) 35% 이상을 기록하며 약 60억 달러 규모로 성장할 것으로 예측됩니다. 이는 전기차, 에너지 저장 시스템, 전자 기기 등 다양한 응용 분야에서의 수요 증가에 기인합니다. 특히, 전기차 시장의 확대와 함께 고성능 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 전고체 배터리 기술의 상용화는 더욱 가속화될 것입니다.
7. 전고체 배터리 기술의 도전 과제
전고체 배터리의 상용화를 위해 해결해야 할 도전 과제들이 남아 있습니다.
- 고체 전해질의 이온 전도성 개선: 이온 전도성은 전고체 배터리 성능의 핵심 요소로, 이를 개선하기 위한 다양한 재료 연구가 필요합니다.
- 인터페이스 저항 문제 해결: 전극과 고체 전해질 간의 접합 문제로 발생하는 인터페이스 저항은 배터리의 효율을 저하시킵니다. 이를 해결하기 위한 신소재 개발과 공정 혁신이 필수적입니다.
- 대량 생산의 경제성 확보: 현재 전고체 배터리의 제조 비용은 리튬이온 배터리보다 상당히 높습니다. 대량 생산을 통해 경제성을 확보하고 시장 경쟁력을 강화하기 위한 공정 혁신이 필요합니다.
8. 미래 전망과 결론
전고체 배터리는 배터리 기술의 패러다임을 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다. 안전성, 에너지 밀도, 수명 등 여러 측면에서 기존의 리튬이온 배터리보다 우수한 성능을 제공할 가능성이 크지만, 기술적, 경제적 도전 과제를 해결해야 합니다. 전고체 배터리의 성공적인 개발과 상용화는 전기차와 에너지 저장 시스템의 효율성을 높이고, 글로벌 에너지 전환에 중요한 역할을 할 것입니다. 그러나 일부 시장조사에 따르면 2030년경에도 전고체 배터리의 글로벌 시장 비중은 크지 않을 것이라는 전망도 있습니다. 따라서 지속적인 연구와 기술 개발이 필수적입니다.
전고체 배터리 관련 주에 대해 공유하도록 하겠습니다. 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 안전성과 효율성이 높아 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있습니다. 이에 따라 관련 기업들도 주목받고 있으며, 몇 가지 주요 관련주를 소개하겠습니다.
1. 대주전자재료
대주전자재료는 전자제품에 필수적으로 사용되는 전자부품용 소재를 개발, 제조, 양산하는 전자재료 전문기업입니다. 특히 이차전지 음극재료를 포함한 다양한 전자재료를 생산하고 있습니다. 최근 실리콘 산화물을 이용한 차세대 실리콘계 ..제품을 파일럿 단계에서 개발 중이며, 초기 효율 85~90% 수준으로 개선된 제품을 양산 준비하고 있습니다.
2. 덕산테코피아
덕산테코피아는 OLED 유기 재료와 반도체 전자재료를 전문적으로 생산하는 기업으로, 최근 전고체 배터리 관련 사업에 주목받고 있습니다. 자회사인 덕산일렉라를 통해 미국 테네시주에 전해액 공장을 설립하고 있으며, 2024년부터 제품 공급이 기대되고 있습니다.
3. 천보
천보는 전자소재, 2차전지 소재, 의약품 소재, 정밀화학 소재를 주로 다루는 기업으로, 전고체 배터리 관련 부문에서도 주목받고 있습니다. 차세대 제품으로 원가 절감을 위한 신규 공법을 적용한 LiPO2F2 공장 증설을 완료하여 시생산을 진행 중입니다.
4. 동화기업
동화기업은 중소형 및 대형 2차 전지 시장의 성장을 배경으로 신성장 동력을 확보하고 있는 기업입니다. 특히 헝가리와 미국 현지에 전해액 공장을 설립하여 글로벌 고객 수요에 대응하고 있습니다.
5. 레이크머티리얼즈
레이크머티리얼즈는 황화리튬을 고가 원재료 없이 대량 생산할 수 있는 기술을 개발하여 전고체 배터리 물질 생산에 대한 특허를 보유하고 있습니다. 이로 인해 배터리 소재 시장에서 중요한 역할을 할 것으로 기대 됩니다.
6. SK이노베이션
SK이노베이션은 배터리 사업에서의 성장과 함께 전고체 배터리 기술 개발에 집중하고 있습니다. 메탈 가격 하락 등의 영향으로 매출 부진이 있었으나, AMPC(첨단 제조생산 세액공제)를 통한 이익 개선이 기대되고 있습니다.
이들 기업은 전고체 배터리 기술 개발과 관련된 다양한 소재와 부품을 생산하고 있으며, 향후 기술 진보와 함께 주가가 상승할 가능성이 있습니다. 관련주 투자를 고려하는 경우 기업의 재무 상태와 기술 개발 진행 상황을 면밀히 살펴보는 것이 중요합니다.