2027년 전고체 배터리 경쟁, 한국 기술 우위 지키려면…

정경윤 KIST 본부장은 전고체 배터리 기술력 자체는 한국이 앞서 있다고 평가했습니다. 하지만 중국 정부가 막대한 투자를 통해 물량 공세를 펼치고 있어, 한국은 이러한 인해전술식 추격을 분명히 경계해야 한다고 강조했습니다.

한국과 중국은 전지 업체들이 전고체 전지 개발을 주도하는 반면, 일본은 자동차 제작사가 개발을 추진하고 있습니다. 정 본부장은 자동차 제작사가 배터리를 직접 생산하는 데는 아직 높은 진입 장벽이 있다고 분석했습니다. 이는 배터리 생산 공정이 기존 기계·전자 기반의 자동차 산업과는 다른 화학·재료 기반의 전문성을 요구하기 때문입니다.

전고체 전지는 공정이 까다로워 수율 확보가 매우 중요한데, 라인에서 불량품 없이 일정한 제품을 생산하는 것이 관건이라고 덧붙였습니다.

정경윤 본부장은 '꿈의 배터리'라는 수식어에 대해 연구자로서 부담감도 있지만, 동시에 많은 사람들이 배터리에 관심을 갖는 긍정적인 신호로 받아들인다고 밝혔습니다. 그는 전고체 전지가 상용화되더라도 연구자들은 또 다른 '꿈의 배터리'를 찾아 연구 개발을 계속할 것이라고 말했습니다.

전고체 배터리 개발의 가장 큰 기술적 병목은 고체 전해질 자체의 낮은 이온 전도도입니다. 배터리 내 양극과 음극 전체에 이온이 효과적으로 전달되어야 하는데, 고체 전해질에서는 이러한 전달이 충분히 이루어지지 않는 부분이 많다고 정 본부장은 설명했습니다.

액체 전해질은 스스로 이온 전달 경로를 형성하는 반면, 고체 전해질은 층층이 쌓여 있어 연구자나 생산자가 이온 전달 경로를 직접 만들어줘야 하는 어려움이 있습니다. 양극과 음극의 활물질 하나하나 사이에 이온 경로를 형성하는 공정이 매우 까다롭습니다.

액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지는 액체를 떨어뜨리면 전해질이 전체를 적시면서 이온 전달 경로를 자동으로 생성합니다. 하지만 고체 전해질은 이와 다르게 층층이 쌓여 있기 때문에, 연구자가 활물질 하나하나 사이에 이온 전달 경로를 직접 만들어야 합니다. 이러한 경로 형성 공정의 어려움이 전고체 배터리 상용화의 주요 걸림돌로 작용합니다.

고체 전해질은 액체 전해질과 달리 리튬 이온이 이동할 수 있는 통로가 저절로 만들어지지 않습니다. 그래서 양극에서 음극까지 활물질 하나하나 사이에 이온이 지나갈 경로를 사람이 직접 만들어 줘야 하고, 이 경로를 만드는 공정이 상당히 어려운 부분으로 꼽힙니다. 이 기술적 병목이 해결되지 않으면 이온이 한쪽에서 다른 쪽으로 넘어가는 길이 끊기게 되어 전류가 흐르지 않고, 결국 배터리 역할 자체를 하지 못하게 됩니다. 이온 전달 경로가 끊기면 마치 다리가 끊긴 것처럼 기능이 아예 작동하지 않거나 크게 떨어지게 되는 것입니다.

이런 문제가 해결되면서 삼성 SDI는 2027년 하반기 양산, 도요타는 2027년에서 2028년 상용화, LG 에너지 솔루션은 2029년 상용화를 목표로 하고 있습니다. 중국 역시 국가 차원의 계획에서 2030년 전고체 배터리의 초기 대규모 적용을 공식 목표로 제시했습니다. 오랫동안 미래 기술로만 머물렀던 전고체 배터리를 한중일 기업과 정부가 한꺼번에 목표로 세우게 된 배경에는 기술 성숙이 있다는 분석입니다.

고체에서 이온이 전달되는 현상 자체는 19세기부터 알려져 있었습니다. 다만 배터리에 쓰려면 이온 전달이 실사용 수준으로 빠르고 대량으로 이루어져야 하는데, 이것이 가능하다는 사실이 처음 확인된 것은 2010년경입니다. 당시 도쿄공업대학교 칸노 료지 교수가 배터리 급으로 이온 전달이 가능한 고체 전해질을 발견했고, 이후 도요타와 함께 연구 개발을 많이 진행했습니다. 그러나 이 물질로도 다른 문제가 많이 생겨 실제 전지를 만들기 어려웠고, 여러 연구를 거쳐 문제들이 상당 부분 해결되면서 지금은 제품이 나올 수 있다는 판단이 기업들 사이에서 나오고 있습니다.

배터리 산업에서는 선점이 중요하기 때문에 여러 기업이 경쟁적으로 출시 계획을 내세우고 있는 것으로 보입니다.

정경윤 본부장은 전고체 배터리가 기존 배터리를 완전히 대체하지는 않을 것이라고 전망했습니다. 각 배터리마다 고유한 특성이 있어, 그 특성이 필요한 특정 응용 분야에 주로 사용될 것이라는 설명입니다. 그는 1991년 리튬이온전지가 출시되었음에도 납축전지 시장이 2017년까지 더 컸던 사례를 들며, 납축전지가 내연기관 자동차의 전력원으로 특화되어 계속 사용되었듯이 전고체 배터리도 새로운 응용처를 발굴하여 새 시장을 창출할 가능성이 더 크다고 분석했습니다.

진행자는 2차전지가 많이 출시되었음에도 1차 전지(손가락 전지)가 여전히 사용되는 것처럼, 배터리 역시 용도에 따라 다양하게 분화될 것이라는 견해를 밝혔습니다. 정 본부장은 이에 동의하며 전고체 배터리 역시 특정 용도를 위한 새로운 시장을 형성할 것으로 보았습니다.

과거에는 전기차나 자율주행차를 목표로 전고체 배터리 개발이 이루어졌으나, 초기 제품은 기존 제품 대비 가격 경쟁력을 갖추기 어렵기 때문에 가격 민감도가 낮은 시장부터 진입할 가능성이 높다고 분석했습니다. 대표적인 초기 시장으로는 안전성이 매우 중요한 휴머노이드 로봇이 거론되었습니다. 휴머노이드 로봇 전체 비용에서 배터리가 차지하는 비중이 약 3% 수준으로 추정되어, 배터리 가격 변동이 전체 비용에 미치는 영향이 작기 때문입니다. 또한, 전동 공구와 같이 크기는 작지만 모터를 사용하는 분야에서도 먼저 사용되며 검증될 것으로 예상됩니다.

전고체 배터리의 큰 장점 중 하나인 안전성과 관련하여, 기존 리튬이온 배터리의 덴드라이트 형성 문제를 짚었습니다. 리튬 금속 전지의 충방전 과정에서 리튬이 뾰족한 고드름 형태(덴드라이트)로 자라나 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 내부 단락을 일으켜 화재나 폭발로 이어질 수 있습니다. 이러한 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 음극 재료로 흑연을 사용한 것이 리튬이온 배터리입니다.

전고체 배터리는 에너지 밀도를 높이기 위해 리튬 금속을 음극으로 사용할 가능성이 있는데, 이때 덴드라이트 형성이 문제가 될 수 있습니다. 하지만 전고체 배터리는 가운데에 분리막 역할도 하는 딱딱한 고체 전해질 막을 사용함으로써 덴드라이트 형성을 억제할 가능성이 높습니다.

다만, 고체 전해질 막에도 미세 균열이 생기거나 입자 사이 계면을 타고 덴드라이트가 침투할 수 있어 추가적인 기술적 처리가 필요하다고 정 본부장은 설명했습니다.

지식재산처 분석에 따르면, 전고체 분야 특허 출원에서는 토요타가 세계 1위, LG에너지솔루션이 2위를 차지했습니다. 토요타가 특허 1위인 이유는 일본에서 배터리급 이온 전도성을 갖는 고체 전해질이 처음 개발되었기 때문이며, 오랜 연구의 누적 결과입니다. 한국은 기술적으로 세계 1위 수준으로 치고 나가는 중이라고 정 본부장은 평가했습니다.

최근 3년간 특허 증가 속도만 보면 삼성SDI가 가장 빨랐으며, 국가별 출원 증가율에서는 중국이 가장 높은 것으로 나타났습니다. 중국은 정부의 막대한 투자와 물량 공세를 통해 빠르게 기술을 추격하고 있습니다. 한국은 항상 선택과 집중을 통해 필요한 기술 개발에 주력하고 있다고 설명했습니다.

정 본부장은 과거에는 중국이 한국을 쫓아오지 못할 것이라고 생각했지만, 현재는 시장 규모 면에서 중국이 따라왔으며, 동일 제품이라도 중국이 더 싸게 만들 수 있다는 점을 인정했습니다. 그럼에도 불구하고 기술력 자체는 한국이 앞서 있다고 보며, 한국의 선택과 집중 전략이 주효할 것이라고 전망했습니다.

일본은 토요타 등 자동차 제작사가 전고체 배터리 개발을 주도하는 반면, 한국과 중국은 배터리 전문 업체들이 주도하고 있습니다. 정경윤 본부장은 기계·전자 기반의 완성차 업체가 화학·재료 기반의 배터리 사업을 직접 생산하는 데는 여전히 높은 진입 장벽이 존재한다고 지적했습니다.

이는 기존 내연기관 자동차 산업과 배터리 산업이 요구하는 기술 역량과 업력이 다르기 때문입니다. 토요타가 먼저 시작하여 강점을 가지고 있지만, 실제 배터리 사업을 직접 운영하는 데는 어려움이 있을 것이라고 전망했습니다.

중국은 완전한 전고체 배터리에 앞서 반고체 배터리를 상용차 등에 적용하며 시장 경험을 쌓고 있습니다. 정경윤 본부장은 반고체 배터리가 완전히 고체가 아닌 상태로 폴리머나 액체 전해질을 섞어 넣은 것이라고 설명했습니다. 이는 고체의 장점과 액체의 단점이 공존하는 상태이며, 중국은 이를 통해 고체 활용에 대한 경험을 쌓는 큰 강점을 확보하고 있다고 보았습니다.

하지만 업계에서는 반고체 배터리를 전고체로 가는 과도기적 단계로 판단하며, 궁극적으로는 완전한 전고체로 나아가야 한다고 보고 있습니다. 현재로서는 황화물계 고체 전해질이 제품 생산에 가장 적합한 대안으로 여겨지는데, 이는 꽉 눌렀을 때 잘 연결되는 특성을 가장 잘 가지고 있기 때문입니다. 한국과 토요타는 황화물계에 무게를 싣고 있으며, 중국은 다양한 기술 노선을 동시에 탐색하고 있습니다.

황화물계 전고체 배터리의 공정 비용이 높은 주된 이유는 원료 자체는 저렴할 수 있지만, 황을 다루는 공정이 까다롭고 규모의 경제를 아직 이루지 못했기 때문입니다. 특히 황화물계 고체 전해질은 수분과 공기에 반응하기 때문에 글러브 박스(수분, 산소 등이 차단된 환경)와 같은 고도의 제어 환경에서만 다룰 수 있습니다.

또한, 이온 전달 경로를 형성하기 위해서는 배터리 활물질과 고체 전해질 알갱이를 매우 강한 압력으로 눌러야 합니다. 이 공정에는 WIP(따뜻한 등방성 압축기)와 같은 특수 압축기가 필요하며, 이러한 공정 자체가 비용을 증가시킵니다.

더 나아가 전지가 작동하는 중간에도 활물질과 전해질 계면이 벌어지지 않도록 항상 가압 상태를 유지해야 합니다. 만약 이를 자동차에 탑재할 경우, 압력을 유지하는 장치까지 함께 넣어야 하므로 전체 에너지 밀도를 낮추는 문제가 발생합니다.

정경윤 본부장은 전고체 배터리 경쟁의 최종 승부가 '수율'과 '균일한 품질'에 달려 있다고 강조했습니다. 좋은 배터리 하나를 만드는 것과 수백만 개를 동일한 품질로 찍어내는 것은 전혀 다른 문제라는 설명입니다.

전고체 전지는 공정이 더욱 까다롭기 때문에 불량품 없이 일정한 제품을 생산하는 것이 매우 중요합니다. 수율 제어와 기술 발전, 그리고 규모의 경제를 통해 공정 비용을 절감하는 것이 상용화의 핵심 과제가 될 것입니다.

기업들이 말하는 양산 시점과 시장에서 보는 대중화 시점 사이에는 시간차가 있을 것이라고 정 본부장은 전망했습니다. 그는 1991년 리튬이온전지가 양산되기 시작했지만, 핸드폰이나 노트북, 스마트폰에 본격적으로 탑재되어 대중화되기까지 약 10년의 시간이 걸렸던 사례를 들었습니다.

전고체 전지 역시 리튬이온전지의 경험을 바탕으로 대중화까지의 시간이 단축될 수는 있겠지만, 최소한 몇 년의 시간은 필요할 것이라고 보았습니다. 리튬이온전지가 테슬라 로드스터, 모델S와 같은 고가 차량에 먼저 탑재된 후 서서히 대중화되었듯이, 전고체 배터리도 유사한 경로를 따를 것으로 예상했습니다.

정경윤 본부장은 전고체, 반고체, 액체전해질 배터리가 모두 각자의 성능과 경제성을 확보한다면 세 가지 모두 시장에서 공존할 것이라고 전망했습니다. 각 배터리가 다른 특성을 가지고 있기 때문입니다.

전고체 배터리는 안전성이 매우 중요한 분야에 사용될 것이며, 리튬이온 배터리는 이미 규모의 경제를 이루고 대중적인 전기차의 동력원으로서 최소 15~20년간 주력 배터리로 유지될 것이라고 보았습니다. 반고체 배터리는 경제성과 안전성이 동시에 요구되는 특정 시스템에 적용될 수 있습니다.

한국 배터리 산업은 셀 제조 기술에서는 강점을 가지지만, 핵심 광물 및 소재의 중국 의존도가 높은 상황입니다. 정경윤 본부장은 기술력 확보와 핵심 광물 공급망 다변화를 동시에 추진해야 한다고 강조했습니다. 고이온 전도 고체 전해질 개발과 같은 기술적 노력과 함께, 남미 광산 확보와 같은 자원 확보 노력이 병행되어야 합니다.

또한, 비싼 원료를 사용하지 않으면서도 동일한 성능을 내는 소재 연구도 중요하다고 덧붙였습니다. 전 세계적으로 중국을 견제하는 정책 법안(FEOC 등)이 확산되는 추세는 특정 국가에 의존하지 않는 한국에게 기회가 될 수 있습니다. 한국은 이러한 정책적 상황에 맞춰 원료를 확보하고 전지를 생산하는 전략을 펼쳐야 합니다.

배터리가 사람과 밀접하게 관련된 제품인 만큼 안전성이 매우 중요하므로, 중국의 물량 공세에 의식하기보다는 안전을 중시하는 신중하고 경제성 있는 전지 개발에 집중해야 한다고 강조했습니다.

정경윤 본부장은 전고체 배터리 이후 차차세대 전지로 10개 이상이 거론되고 있다고 밝혔습니다. 대표적인 예시로 리튬황전지와 리튬공기전지를 언급했습니다.

리튬황전지는 무게가 가벼워 드론이나 UAM(도심 항공 모빌리티)과 같은 에어 모빌리티 분야에 적합합니다. 리튬공기전지는 한쪽 극에 공기가 반응물로 사용되며, 제대로 개발될 경우 리튬이온전지 대비 수 배 이상의 에너지 밀도를 가질 것으로 기대됩니다.