전기차와 AI 로봇 시대가 본격화되면서 배터리 기술의 패러다임이 변화하고 있습니다. 기존 리튬이온 배터리의 한계를 넘어서는 전고체 배터리가 2027년 상용화를 목표로 개발 경쟁이 치열해지고, 퀀텀스케이프, 도요타, 솔리드파워 등 글로벌 선도 기업들은 각자의 기술 전략으로 시장 선점을 노립니다. 배터리의 기술관련하여 사업과 시장의 변화는 단순한 교체를 넘어 자동차 산업과 로봇 산업을 완전히 바꿀 혁신기술이 되었습니다. 한국 배터리 업계도 이 사업에 뛰어들어 여러 가지 기술들을 확장하고 있으며, 그들에게는 기회이자 위기인 이 시점에서, 전고체 배터리의 핵심 기술과 주요 기업들의 전략을 한번 살펴보고자 합니다.
전고체 배터리의 핵심 기술과 리튬 금속 음극의 혁신
전고체 배터리가 주목받는 이유는 기존 액체 전해질 배터리의 근본적인 문제를 해결할 수 있기 때문입니다. 흑연의 경우 여섯 개가 리튬 이온 하나를 저장하는 반면, 실리콘은 한 개가 리튬 이온 네 개를 저장할 수 있어 이론적으로 24배 더 높은 저장 능력을 가집니다. 하지만 실리콘은 부풀어 오르는 문제가 있어 현실적으로는 흑연에 5% 정도만 섞어 사용하며, 이렇게 해도 배터리 용량은 10% 정도만 증가합니다. 리튬 금속 음극의 진정한 혁신은 저장 용기 자체가 필요없게 됩니다. 리튬 박막 위에 리튬 이온이 직접 증착되는 방식으로, 양극에서 온 리튬 이온과 전자가 만나 리튬 금속이 되어 박막 위에 쌓이게 됩니다. 이는 신용카드처럼 얇은 형태로 구현 가능하며, 부피 대비 에너지 밀도가 획기적으로 증가합니다. 또한, 충방전 속도도 빠른데, 흑연이나 실리콘처럼 구멍 속으로 파고들어 갔다가 나올 필요 없이 박막 표면에 앉았다 바로 나가는 구조이기 때문입니다. 그러나 리튬의 반응성이 너무 강해 액체 전해질과 만나면 가스 발생, 덴드라이트 현상 등의 부작용이 발생합니다. 가장 위험한 점은, 리튬이 불규칙하게 쌓여 성장하게 되면, 분리막을 뚫으면서 폭발 위험이 있다는 점입니다. 이 문제를 해결하기 위해 고체 전해질이 필수적으로 필요한데, 고체는 반응성이 낮아 부작용이 적고, 덴드라이트가 발생해도 고체 전해질을 뚫고 나오지 못해 훨씬 안전하다고 알려져 있습니다. 또한 출렁거리지 않아 안정성이 더욱 향상됩니다. 하지만 이런 전고체 배터리가 빠르게 상용화되지 못하는 것에는 기술적인 한계가 어느 정도 있기 때문입니다. 이온 전도성 문제가 있는데 이는 액체 전해질보다 이온 이동속도가 느린 경우가 많고, 저온에서 특히 취약합니다. 또한 고체 전해질과 음극 사이에 미세한 틈이 발생하고 저항이 증가하면서 출력이 감소하는 등의 접촉문제가 있습니다. 대상생산도 어려운 단점이 있습니다. 최근 중국에서는 이러한 기술적 한계를 극복하려는 연구가 활발합니다. 중국과학원 연구진은 요오드 이온을 활용한 특수 접착제 기술을 개발했습니다. 전극과 전해질 사이의 공극을 자동으로 메우는 방식으로, 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 환경을 만듭니다. 또한 고분자 골격 구조를 통한 유연 골격 기술도 주목받고 있습니다. 배터리를 비틀거나 굽히고 접어도 손상되지 않으며, 리튬 이온의 이동 속도를 높이고 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있습니다.
| 음극재 종류 | 리튬 이온 저장 방식 | 에너지 밀도 | 충방전 속도 | 주요 문제점 |
|---|---|---|---|---|
| 흑연 | 구멍 속 저장 | 기준 | 보통 | 용량 제한 |
| 실리콘 | 구멍 속 저장 | 이론상 24배 | 보통 | 팽창 문제 |
| 리튬 금속 | 표면 증착 | 매우 높음 | 빠름 | 덴드라이트 현상 |
액체보다 이온 전도성이 낮기 때문에 전고체 배터리는 황화물 같은 분자 구조가 큰 물질을 사용합니다. 황 분자가 크면 분자 사이 공간이 넓어져 많은 이온이 돌아다닐 수 있습니다. 또한 이온 도핑을 통해 첨가제를 섞어 이온 농도 차이를 증가시켜 이동 속도를 높입니다. 결정질을 비정질로 만들어 원자 배열을 무작위화하면 이온 이동 통로가 다양해져 샛길이 많아지는 효과도 있습니다. 전해질과 음극의 접촉 불량 문제도 중요한데, 고체와 고체가 붙으면 틈이 발생할 수 있고, 그 틈으로는 리튬 이온이 통과하지 못합니다. 붙어 있는 곳으로만 이온이 몰려 과잉 반응이 일어나고 배터리가 비틀어질 수 있습니다. 빈 공간에는 수분이나 공기가 차서 리튬과 반응해 비활성막이 생기며, 해당 부분은 괴사됩니다. 이를 막기 위해 바인더 코팅으로 접착제를 사용하며, 리튬을 잡아주는 화학 물질과 패터닝을 통해 리튬 이온이 규칙적으로 빠져나올 수 있게 하는 기술도 연구하고 있습니다.
퀀텀스케이프와 도요타의 기술 경쟁 전략
퀀텀스케이프는 2010년 스탠퍼드에서 분사한 업체인데, 종업원 약 850명에 시가총액 7조 원 규모의 전고체 배터리 퓨어 플레이 기업입니다. 폭스바겐이 26% 지분을 보유하고 있으며, 카타르 투자 펀드와 빌 게이츠도 투자했습니다. 아직 매출은 없지만 가장 혁신적인 기술을 추구하고 있다고 합니다. 퀀텀스케이프의 첫 번째 혁신은 전해질로 비정질 세라믹을 사용한다는 점입니다. 세라믹은 도자기처럼 구멍이 많아 이온 통로가 풍부하며, 비정질로 만들면 유연해져 잘 깨지지 않습니다. 퀀텀스케이프의 가장 큰 혁신은 음극을 아예 없앤 것입니다. 리튬 금속 박막 대신 구리판만 설치하고, 양극에서 온 리튬 이온과 전자가 구리판에서 만나 리튬 금속이 되어 증착됩니다. 충전이 끝나고 방전되면 리튬은 다시 이온화되어 양극으로 돌아갑니다. 이 방식은 부피당 에너지 밀도가 극대화되고, 충방전 속도가 매우 빠르며, 리튬 금속이 상주하면서 일으키는 부작용이 최소화됩니다. 또한 음극이 없어 제조 과정이 단순하고 배터리가 소형화가 가능합니다. 두 번째 혁신은 전해질을 한 겹으로만 사용한다는 점인데, 일반적으로 세라믹을 여러 층으로 쌓는 프로세스인데 퀀텀스케이프는 특별한 첨가물(불소, 나노 입자 산화물 등)을 섞어 비정질 세라믹의 강도를 극대화했다고 합니다. 한 겹이면 층간 균일성 문제가 사라지는 장점이 있고 생산성이 대폭 향상됩니다. 즉, 리튬 이온도 한 겹만 통과하면 되므로 이온 전도성이 훨씬 좋아집니다. 그러나 여전히 이런 퀀텀스케이프의 혁신적인 방식에는 문제가 남아있습니다. 구리판에 증착된 리튬 중 일부는 방전 시 나가지 않고 그대로 남을 수 있습니다. 게으른 리튬 이온이 구리판에 계속 붙어 있으면 배터리 용량이 점차 감소하고, 남은 리튬이 문제를 일으킬 수 있습니다. 전기차처럼 고출력이고 충방전 횟수가 많은 환경에서 이 방식이 안정적인지는 검증이 필요합니다. 도요타도 이 방식을 시도했다가 아직 시기상조라고 판단해 황화물 기반으로 전환한 이력이 있습니다. 하지만, 퀀텀스케이프는 끝까지 이 방식을 고수하며 기술 완성을 목표로 하고 있습니다. 도요타의 경우는, 황화물 전해질 사용하며, 음극제는 리튬 금속을 사용하되 흑연을 섞어 리튬의 반응성을 통제하고 있습니다. 아마도 도요타의 핵심은 조기 상용일 가능성이 큽니다. 혁신 기술을 몇가지 나타내면 첫째, 전해질과 음극 사이에 이중 방막 코팅을 합니다. 전해질 추마층은 음극의 유혹에 넘어가지 않도록 화학 물질을 섞고, 전극화층은 전극과 전해질이 잘 붙어 있게 합니다. 둘째, 셀 하우징에 대한 특허를 확보합니다. 리튬 음극의 팽창과 수축에 맞춰 황화물 전해질의 마찰을 줄이고, 수축 시 틈이 발생하면 압력을 가해 다시 밀착시키는 기술입니다. 2027년 도요타가 전고체 배터리 차를 출시하면 일본의 여러 업체들에도 영향을 미칠 것입니다.
| 기업명 | 전해질 방식 | 음극 방식 | 핵심 전략 | 상용화 목표 |
|---|---|---|---|---|
| 퀀텀스케이프 | 비정질 세라믹 단일층 | 구리판(음극 없음) | 혁신적 기술 완성 | 미정 |
| 도요타 | 황화물 | 리튬 금속 + 흑연 | 조기 상용화 | 2027년 |
| 솔리드파워 | 황화물 | 리튬 금속 | 단순 생산 공정 | 2026년 |
여전히 도요타가 해결하지 못한 문제도 있습니다. 황화물은 저온에서 성능이 떨어지며, 수분과 만나면 황화 가스라는 독가스가 발생합니다. 이런 독물을 처리하는 것도 어렵고 양극제, 황화물, 리튬 금속 흑연 혼합 음극으로 구성된 셀을 여러 층 쌓을 때 하중 불균형이 생겨 아직 많이 쌓지 못하는 상황에 직면해 있습니다. 2027년 출시 차량이 하이브리드 전고체인지 전기차 전고체인지는 지켜보면 그 한계를 극복했는지 알 수 있을 겁니다. 일본은 2차 전지 초창기부터 파나소닉, 소니 등이 시장을 주도했습니다. 당시부터 액체 전해질 배터리는 위험하다고 판단해 전고체를 연구해 왔습니다. 아마도 일본 진영이 전고체 배터리를 가장 먼저 상용화할 가능성이 높다는 전망이 나오는 이유입니다.
솔리드파워와 K배터리의 미래 전망
솔리드파워는 2011년 콜로라도 대학 출신 교수 3명이 창업한 미국 기업입니다. 그중 한 명은 서울대에서 박사 학위를 받은 이세희 박사입니다. 종업원 약 260명, 시가총액 1조 원 미만의 스몰캡 기업으로 매출은 약 300억 원입니다. 이 매출은 SK온에 기술을 이전한 것으로, 실제 배터리 판매 매출은 아닙니다. 포드와 BMW가 제휴했으나 포드는 발을 빼고 자체 개발 및 중국 CATL과 협업하고 있으며, BMW도 소수 지분만 보유한 상태로 언제든 철수할 수 있는 구조입니다. 솔리드파워는 원래 란타늄 산화물을 전해질로 사용했으나, 이온 이동 구멍이 너무 작아 고출력이 어려워 결국 황화물로 전환 결정했습니다. 구조는 양극제, 황화물 전해질, 리튬 금속 음극을 파우치에 담아 쌓는 방식입니다. 이는 고출력이 가능하고 생산 과정이 단순하며 대량 생산이 용이합니다. 특히 현재 한국과 중국의 생산 라인을 그대로 활용할 수 있어 K배터리 업계가 주목하고 있습니다. 솔리드파워는 2026년 상용화를 목표로 하며, 도요타보다 1년 빠른 계획을 가지고 있지만 이런 쌓는 방식이 안전성 문제를 일으키지 않을지 의심받고 있습니다. 2022년에는 "우리는 배터리 설계만 할 테니 BMW가 생산하라"는 제안을 했는데, 이는 양산 기술에 자신이 없다는 해석을 낳았습니다. 한국은 파우칭 기술에 강점이 있습니다. 파우치 기술을 배터리 셀을 금속 캔 대신에 얇은 알루미늄 라미네이트 필름 파우치에 담아서 밀봉하는 제조방식입니다. K배터리는 스마트폰 배터리부터 전기차 배터리까지 모두 파우치형으로 생산해 왔습니다. 솔리드파워가 파우치를 쌓는 방식으로 문제없이 전고체 배터리를 만들 수 있다면, 한국은 기존 생산 시설을 활용해 빠르게 시장에 진입할 수 있습니다. 솔리드파워는 자동차 업체가 아니므로 배터리 기술을 판매해야 하고, 한국에 저렴하게 공급할 가능성이 높습니다. 그러나 중국은 이미 반고체 전지(세미 솔리드)를 시장에 출시했습니다. 한국 배터리 업계의 현실은 엄중합니다. 에코프로의 실적을 보면 적자가 심각하고, 총자산 회전율이 39%에 불과합니다. 투자한 자산의 절반도 매출로 이어지지 않는 것은 생존 불가능한 상황입니다. 중국의 공급 과잉이 원인이며, 2027년까지 중국의 생산 캐파는 자국 수요의 4배로 증가할 건데, 전고체로 패러다임이 바뀌면 한국에 희망이 있을까요? 현재 생산 라인에서 전고체에 활용 가능한 것은 양극제뿐입니다. 분리막은 사라지고 음극제도 다른 것으로 대체됩니다. 양극제가 밸류체인에서 차지하는 비중은 40%에 불과합니다. 에코프로는 전고체 밸류체인을 구축 중입니다. 양극재는 에코프로비엠, 리튬메탈 음극재와 황화리튬은 에코프로이노베이션, 황화수소는 에코프로 AP에서 대응하고 있습니다. 아직도 이런 밸류체인의 기대감이 주가의 증감에 영향을 주고 있습니다. 그만큼 전고체 배터리 시장에 대해서는 막연한 기대감이 있으며, 실질적인 기술이 아직 검증되지는 않았습니다. 전고체 배터리는 전기차뿐만 아니라 휴머노이드 로봇 시장에서도 핵심입니다. 로봇은 고강도 노동 작업장을 타깃으로 하며, 배터리에 전적으로 의존하는 구조입니다. 전기차와 달리 탑재 공간에 한계가 있어 부피와 무게 대비 고용량 에너지 밀도를 가진 배터리가 필요합니다. 아틀라스 로봇은 일반 작업에 4시간, 고강도 작업에 2시간의 배터리 수명을 가지며 하이니켈 삼원계 배터리를 사용합니다. 로봇 산업이 발전하면서 전고체 배터리의 효용성이 중요하게 되고 더 절실하게 요구되는 시대가 오고 있습니다. 중요한 점은 이런 휴머노이드 로봇에 장착되는 배터리는 작고 탑재 공간도 협소합니다. 로봇기업들의 주가가 올라가면서 전고체 배터리 관련 기업들도 인기를 끌게 되었습니다. 하지만 우리는 그것에 대해 냉정하게 입증하는 과정을 살펴봐야 합니다. 즉, 단순한 기대감으로 그 위상을 달리 평가하면 안 되겠습니다. 삼성 SDI가 27년 전고체 배터리 양산 계획이 현실화되면 전기차보다 로봇에 더 활용될 수도 있다는 전망이 있습니다. 중국 정부의 전고체배터리 국가 표준 발표를 한 것처럼 중국은 육성의지를 분명하게 하고 있습니다. 아직까지 가격은 비싸지만 선도기업들이 일단 전고체 배터리 양산 단계에 돌입하면 가격이 대폭 하락할 것으로 예상하고 있습니다. 30년 이후 우리는 새로운 로봇의 수요가 증가할 것이고 전고체 배터리의 각축 속에서 3~4년이 분수령이 될 수 있다는 것도 생각해 봅니다. 어떠한 기술도 지속하며 영원하지 않다는 것을 명심하고 또한 과소평가되어서도 안됨을 명심해야겠습니다.