본문 바로가기

전고체배터리 삼국지, 승자는 누가될까?

LG에너지솔루션·삼성SDI·SK이노베이션…주행거리 확대, 안전성 확보 실현하나

[산업일보]
전고체 리튬 이차전지(All Solid State Battery, 이하 전고체 전지)가 전기자동차(EV)에 적용이 검토되면서 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 이 때문에 국내 배터리 3사를 비롯해 관련 시장에서 우위를 확보하기 위한 경쟁이 치열해지고 있다.

전고체 전지는 기본적으로 음극, 양극, 전해질, 분리막으로 구성되는데 기존의 액상 전해질을 고체 전해질로 바꿔서 모든 구성요소를 고체로 바꾼 전지를 말한다. 액체상태의 전해질은 온도에 따라 동파, 기화, 팽창할 수 있고, 외부 충격으로 전해질이 누출되면 화재 및 폭발의 우려가 높았다.

그런데 전지 전체를 고체화시킨 전고체 전지는 화재 및 폭발 위험을 크게 낮추면서 안정성과 에너지 밀도는 높이는 한편, 자동차 온실가스 배출을 막을 수 있어서 큰 기대를 모으고 있다.

강점이 많은 전고체 전지지만 고체 전해질의 이온 이동성 저하를 비롯해 충방전 효율을 감소시키는 덴드라이트(Dendrite, 전지를 충전할 때 리튬이 음극 표면에 생기는 나뭇가지 모양의 결정체로, 뽀족하게 쌓이면서 양극과 음극 사이의 분리막을 찢어서 화재나 폭발을 유발하는 현상) 생성 문제 등 기술적 과제가 남아있어서 상용화까지는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 예상되고 있다.

우리 정부는 ’24년 완전자율주행차 출시를 위한 6대 핵심 부품의 고도화를 추진하는 한편, 안전성을 강화한 전고체 전지(400Wh/kg)를 ’30년까지 상용화하겠다고 목표를 밝힌 바 있다.

국내 배터리 3사인 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK이노베이션 등도 ’27년에서 ’30년경을 전고체 전지 상용화의 원년으로 밝히고 있으며, 이 목표를 향해 가기 위한 과정 중 니켈 함량을 높이는 하이니켈(High Ni) 배터리 제조전략과 함께 배터리 핵심 소재를 안정적으로 확보하기 위한 발 빠른 행보를 펼치고 있다.

니켈은 양극재의 핵심 원료로 이차전지의 충전 용량을 높여 전기차의 주행거리를 늘리는데 중요한 역할을 하고 있다.

배터리 3사는 이달 9일부터 11일까지 삼성동 코엑스에서 개최된 인터배터리(InterBattery) 2021에 참가해 관련 시장에 대한 기술력과 향후 배터리 기술개발 로드맵을 소개했다.
전고체배터리 삼국지, 승자는 누가될까?
LG에너지솔루션의 인터배터리(InterBattery) 2021 부스에 전시된 전기차 전용 배터리 E78 Cell(사진 왼쪽)과 MPI 모듈(사진 오른쪽)

LG에너지솔루션의 전시부스 안에 마련된 '미래 기술존(Next generation Zone)'에는 안전성 향상을 위한 전고체 전지와 고에너지 밀도의 경량 리튬황 전지 등 차세대 전지 제품이 전시됐다.

또한, 22km 고도 비행에 성공한 리튬황 전지 탑재 무인 비행기 모형을 전시부스에 전시하기도 했다.

이 회사는 전시회 참가 전날인 이달 8일, 전기차 배터리 핵심 원재료인 니켈, 코발트 등을 생산하는 호주 'QPM(Queensland Pacific Metals)' 회사의 유상증자에 참여해 지분 7.5%를 인수하는 계약 체결 및 장기구매계약(Offtake Agreement)을 통해 '23년 말부터 10년 간 매년 7천 톤의 니켈과 700톤의 코발트를 안정적으로 공급받게 됐다고 밝혔다.

또한 올해 하반기 3세대 차세대 전기차용 하이니켈 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 조성의 양극재) 배터리 생산을 본격 시작하며 그 비중을 점차 늘릴 계획이다.

하이니켈 NCMA 배터리에 대해 이 회사는 양극재 내 니켈 함량을 높이고 값 비싼 코발트는 줄이되 저렴한 알루미늄을 추가해 안정성과 출력을 높이고 가격 경쟁력은 확보한 배터리라고 설명했다.
전고체배터리 삼국지, 승자는 누가될까?
SK이노베이션는 인터배터리(InterBattery) 2021에서 리튬이온 배터리 에너지 밀도 로드맵과 개발중인 전고체 배터리에 대해 소개했다.

SK이노베이션도 이번 전시회에서 배터리 에너지 밀도 로드맵을 통해 하이니켈 NCM(니켈, 코발트, 망간) 배터리 제조에 대한 기술력을 선보였다.

이 회사는 ’25년까지 Ni 함량을 94%까지 확대 적용할 계획이며, ’30년경 전고체 전지 상용화를 모표로 삼고 있다고 밝혔다.

SK이노베이션 나희수 PM은 “에너지 로드맵을 보면, 니켈의 함량을 높이면서 용량을 높이고 있다. 니켈 함량을 올해 88%까지 높였으며 ’25년에는 니켈 함량을 94%까지 높이는 기술 개발 완료를 목표로 삼고 있다. 이렇게 되면, 굉장히 에너지 용량을 높일 수 있다.”고 말했다.

이어 “일반적으로 차세대 배터리인 전고체 배터리는 음극 자체를 완전 리튬메탈을 쓰면서 분리막을 없애고 전해질을 고체전해질을 쓰는 방향으로 진행하고 있는데 우리는 비경질 글래스 및 겔 폴리머 보호층을 넣어서 덴드라이트 형성을 억제해 에너지 밀도를 높이면서도 안전성까지 확보하는 방향으로 기술 개발을 진행하고 있다.”고 덧붙였다.

나희수 PM은 소비자 입장에서 전기차를 탈 때 화재 위험성과 안전성 면을 가장 신경쓰게 될 텐데 그런 점을 고려해서 배터리를 개발 중이라며, SK이노베이션은 ’30년 전까지 리튬메탈음극에 관련한 기술 개발완료를 목표로 삼고 있으며 그 시기쯤에 전고체 배터리 상용화할 계획이라고 밝혔다.
전고체배터리 삼국지, 승자는 누가될까?
삼성SDI는 인터배터리(InterBattery) 2021에서 전고체 배터리 개발 일정 등을 밝혔다.

삼성SDI도 이번 전시회에서 차세대 배터리 기술로, 전고체 전지에 대해 소개하며 개발 일정, 안전성 테스트 영상 등을 선보였다.

전시 부스의 나와 있는 삼성SDI 관계자는 “전고체 전지를 꿈의 배터리, 차세대 배터리로 얘기하고 있는데, 현재 리튬이온 전지는 액상 전해질로 돼 있는데 이것을 고체 전해질로 바꾸게 되면, 에너지 밀도가 올라가게 되고, 주행거리 향상 효과를 가져올 수 있다.”고 말했다.

이어 “전시회에서 상영 중인 전고체 전지 시험 영상처럼, 코팅을 하거나 물에 넣고 끊여도 화재가 나지 않을 정도로 안전성면에서 기대가 되는 부분이 크다.”며 때문에 여러 기업들이 배터리 연구 개발에 몰두하고 있다.”고 덧붙였다.

“삼성SDI는 ’27년 전고체 전지 상용화를 목표로 삼고, ’23년에 프로토타입 개발을 목표로 개발에 정진하고 있다.”고 밝혔다.
전고체배터리 삼국지, 승자는 누가될까?
인터배터리(InterBattery) 2021에 참가한 포스코 부스에 전시된 배터리 팩을 참관객들이 살펴보고 있다.

포스코도 이차전지 소재 사업에 필요한 원료인 니켈을 안정적으로 확보하기 위한 지분 인수 등 관련 분야에서 경쟁력을 확보하기 위해 잰걸음을 옮기고 있다.

지날달 20일, 이 회사는 미화 2억4천만 달러에 호주 레이븐소프(Ravensthorpe Nickel Operation)社 지분 30% 인수하면서 ’24년부터 연간 3만2천톤(니켈 함유량 기준 7천5백톤)을 공급받을 수 있는 권리를 갖게 됐다.

레이븐소프는 자체 광산과 제련 설비 및 담수화, 황산제조, 폐기물 처리 등 부대설비 일체를 갖춘 니켈 일관 생산 회사로 캐나다의 ‘퍼스트퀀텀미네랄스(First Quantum Minerals)’가 100% 지분을 소유하고 있다.

포스코는 퍼스트퀀텀미네랄스社와 배터리용 황산니켈 및 전구체 사업까지 협력을 확대하는 별도의 양해각서(MOU) 체결을 통해 이차전지 소재 관련 추가적인 사업기회를 모색한다는 방침이다.

또한, 이 회사는 지난 5월, 광양 율촌산업단지 내 연산 4만3천톤 규모의 수산화리튬 공장을 착공하기도 했다.

수산화리튬은 전기차 주행거리를 증대시키는데 중요한 역할을 하는 니켈 함유량 80% 이상의 양극재에 쓰이는 주원료이며, 4만3천톤의 수산화리튬은 전기차 100만대 생산이 가능한 규모다.

전기차 시장의 확대와 함께 차세대 전지시장의 승기를 잡기 위한 경쟁이 가속화되는 가운데 누가 승리의 깃발을 쥐게 될지 귀추가 주목된다.

관련뉴스

0 / 1000
김원정 기자 sanup20@kidd.co.kr

제조기업 강국이 되는 그날까지, 공장자동화 스마트팩토리에 대한 뉴스를 기획·심층 보도하겠습니다.

이 기자의 다른기사 보기 >
목록으로

많이 본 뉴스

뉴스레터 급변하는 산업 동향과 최신 소식을
이메일로 받아볼 수 있습니다.

산업전시회 일정

미리가보는 전시회

파트너스