中, '꿈의 배터리' 전고체 기술 추격 고삐

전기차 대중화의 장벽 중 하나로 꼽히는 안정성 문제를 해결해 줄 전고체 배터리 기술 경쟁이 본격화하는 양상이다. 리튬이온 배터리는 금속으로 만들어진 양극과 음극, 그사이 공간을 채우는 전해질(액체)로 채워져 있다. 전고체 배터리는 전해질을 고체로 대체했기 때문에 폭발이나 화재 위험성을 획기적으로 줄여 '꿈의 배터리'라 불린다. 전기차를 비롯한 다양한 분야에서 활용할 수 있다.

시장조사업체 SNE리서치에 따르면 전고체 배터리는 2027년 본격적인 시장이 형성돼 2030년에는 약 53조원 규모로 커질 것으로 예상된다.

15일 업계에 따르면 최근 중국 국영기업 광저우자동차그룹(GAC)이 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 2026년 출시한다고 밝혔다. 삼성SDI와 도요타가 목표로 하는 상용화 시점(2027년)보다 1년이나 빠르다. 삼성SDI는 오는 2027년까지 전기차용 전고체 배터리를 450Wh/kg 수준으로 개발하겠다고 밝혔다.

지난 1월 중국 전고체 배터리 산학연 협동 혁신 플랫폼(CASIP)이 출범하면서 중국 업체들이 전고체 배터리 개발과 양산 시점을 2030년으로 목표로 했는데, 이보다 한참 앞선 일정이기도 하다.

■ 배터리 업계, GAC 전고체 배터리 기술에 의구심

GAC는 자사가 선보일 전고체 배터리가 400Wh/kg 이상의 에너지 밀도 갖추고 주행 가능 거리가 1천km이상이라고 밝혔다. 리튬 이온 배터리에 비해 질량 에너지 밀도가 50% 이상, 체적(부피) 에너지 밀도가 52% 이상 증가했다는 설명도 덧붙였다.

일반적으로 리튬이온전지 에너지 밀도 한계치는 350Wh/kg 수준으로 평가된다. 현재 킬로당 300와트시 수준 배터리가 상용화되고 있는데, 이를 뛰어넘는 에너지 밀도를 갖춘 셈이다.

다만, 전고체 배터리는 황화물계·산화물계·폴리머계 등으로 나뉘는데 GAC는 자사 제품이 '100% 고체 전해질을 갖춘 배터리'라고 할 뿐 어떤 계통인지에 대해서는 언급하지 않았다. 시장조사업체 SNE리서치는 황화물계가 전고체 배터리 주류가 될 것으로 전망하기도 했다.

최근 중국 정부 산하 국책 연구기관 중국과학원은 전기차를 위한 전고체 배터리를 개발해 내후년 양산할 계획이라고 밝혔다. GAC가 선보이는 제품이 황화물계 전고체 배터리일 가능성도 배제할 수 없는 셈이다.

중국 언론 등에 따르면 연구진은 20Ah 황화물 전고체 배터리 몰딩 생산라인 구축을 준비하고 있으며, 전후방 협력업체와 기술 개발 및 검증 과정을 밟고 있다. 칭다오에너지연구소는 이미 킬로그램 급 황화물 전해질 생산 파일럿 생산라인을 구축한 것으로 전해진다.

하지만 아직 국내 배터리 업계에서는 중국 업체들 기술력에 의구심을 내비추고 있다.

업계 한 관계자는 "과거에도 전고체 배터리라고 발표했지만, 반고체 배터리인 경우가 있었다"며 "진짜 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 출시하는 지는 지켜봐야 알 것 같다"고 말했다.

중국 전기차 업체 니오는 상반기 중 전고체 배터리의 과도기 형태인 반고체 배터리를 탑재한 전기차를 선보일 예정이다. 지난달 720Wh/kg의 에너지 밀도를 갖춘 전고체 배터리 프로토타입 셀 개발을 발표한 테일런뉴에너지는 한 번 충전으로 약 2천km를 주행할 수 있다고 밝혔지만, 전기차 탑재 계획은 밝히지 않았다.

■ "상용화 제품 나와봐야 中 기술력 알 수 있을 것"

배터리 업계 전문가들은 중국의 기술력이 빠르게 높아지고 있는 것은 사실이나 실제 제품이 나와봐야 제품 경쟁력을 판단할 수 있을 것으로 전망한다. 전고체 배터리는 아직 해결해야 할 기술적인 문제가 많기 때문이다.

전고체 배터리 상용화를 위해서는 원가 절감도 관건이다. 일본 과학기술진흥기구는 전고체 배터리 제조 비용이 기존 리튬이온 배터리보다 425배나 높은 것으로 추산하기도 했다.

황화물계 전고체 배터리는 가장 높은 이온전도도를 보유하고 있어 높은 에너지 밀도로 구현할 수 있는 것이 장점이지만, 공기 중 수분과 반응해 유해가스인 황화수소가 생성되는 단점이 있다.

산화물계 전해질은 황화물계보다는 리튬 이온 전도도가 낮은 편이지만, 전기화학적 안정성이 우수하다. 폴리머계는 기존 액체 전해질 기술과 유사해 활용도가 높고, 제조 공정도 비슷하기 때문에 비용 경쟁력을 갖추고 있다. 각각 장단점이 다른 셈이다. 이로 인해 최근 연구 트렌드도 황화물계와 산화물계 시스템을 혼합하려는 시도들도 늘고 있다.

차세대 배터리 연구를 진행 중인 한 전문가는 "황화물계와 산화물계를 혼용하거나 폴리머계와 황화물계를 혼용하는 등 다양한 조합으로 최근에 연구가 많이 되고 있다"며 "전고체 배터리 기술력은 어느 국가에서 첫 시제품이 나오는지를 보면 알 수 있을 것"이라고 말했다.