'꿈의 배터리' 전고체 2차전지 상용화 언제쯤?…K배터리 3사·토요타 연구개발 박차

삼성SDI는 지난달 5일부터 10일까지 독일 뮌헨에서 열린 'IAA 모빌리티 2023'에서 전고체 배터리를 비롯한 차세대 2차전지 기술을 선보였다. 삼성SDI 제공

차세대 2차전지 '전고체 배터리' 개발에 가속이 붙으면서 상용화 시점이 앞당겨질 전망이다. 글로벌 1위 완성차 기업인 토요타가 2027년 자체 개발한 전고체 배터리를 탑재한 전기차 출시를 내놓겠다는 계획을 밝힌 가운데, 한국 배터리 업계가 차세대 기술을 확보해 격차를 유지할 수 있을지 관심이 쏠린다.

3일 2차전지 업계에 따르면, 국내 배터리 3사(LG에너지솔루션·삼성SDI·SK온)은 전고체 배터리 개발을 추진 중이다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 전지를 뜻한다. 기존 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높고 화재나 폭발 위험성을 낮출 수 있어 '꿈의 배터리'로 불린다.

LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 동시에 개발하고 있다. 상대적으로 기술 난도가 낮은 고분자계 전지를 2026년에 양산하고, 2030년 이후 황화물계 전지를 상용화한다는 목표를 수립했다.

이를 위해 국내외 대학 및 기관들과 공동 연구센터를 설립해 차세대 배터리 원천 기술 확보에 나서고 있다. 앞서 지난 2021년에는 전고체 배터리 최고 권위자인 셜리 멍 교수가 이끄는 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD) 연구팀과 '상온 구동 장수명 전고체 배터리'를 공동 개발해 성과를 인정받았다.

삼성SDI의 경우 배터리 3사 가운데 전고체 배터리 분야에서 가장 앞서 있다는 평가를 받는다. 이미 수원 연구소 내 전고체 배터리 파일럿 라인 'S라인'을 올 상반기에 구축했다. S라인에는 전고체 전지 전용 극판 및 고체전해질 공정 설비, 전지 내부의 이온 전달을 원활하게 하는 셀 조립 설비를 비롯한 신규 공법 및 인프라가 도입됐다.

삼성SDI는 지난 6월 전고체 배터리의 개발 시제품 생산에 착수했으며 현재 완성차 업체 데모 차량 탑재도 협의 중이다. 2025년에 전고체 배터리 대형 셀 생산 기술을 개발하고, 2027년 양산을 시작할 계획이다.

SK온은 최근 박희정 단국대 신소재공학과 교수 연구팀과 공동 개발한 '산화물계 고체전해질' 관련 연구 결과를 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스' 표지논문으로 게재했다. 이 기술과 관련된 국내외 특허 출원도 마쳤다. 산화물계 고체전해질 소재인 LLZO(리튬·란타넘·지르코늄·산소)의 첨가물질을 조정해 리튬이온전도도를 개선했다. 배터리 출력이 커지고 급속 충전이 가능하다는 장점을 지닌다.

한편, 토요타는 지난달 19일 일본 아이치현 공장에서 기자간담회를 열고 2027년까지 전고체 배터리를 출시하겠다고 밝혔다. 전기차 시장에서 후발주자로 불리한 입장이지만, 관련 원천 기술을 확보해 전고체 배터리 분야에서 우위를 점하겠다는 계획이다.