삼성SDI 이어 LG엔솔도 잰걸음…전고체 배터리 경쟁 가속

개발 시점 구체화…삼성SDI는 2027년 양산 계획

차세대 고성능 전기차 배터리로 주목받는 전고체 배터리를 두고 일찍이 양산 계획을 밝힌 삼성SDI에 이어, LG에너지솔루션도 2030년 이전 개발 완료를 목표로 하는 등 국내 배터리셀 기업 간 경쟁이 가속화하고 있다.

양사는 23일 서울 강남구 과학기술회관에서 열린 ‘SNE 배터리 데이 2024’에서 차세대 배터리 개발 방향에 대해 이같이 밝혔다.

배터리 핵심 공급처인 전기차 시장이 최근 수요 정체(캐즘)를 겪고 있어, 보다 긴 주행 거리를 보장하고 가격도 보다 저렴한 전기차 배터리가 요구되고 있는 상황이다.

LG에너지솔루션과 삼성SDI도 이런 환경을 고려해 차세대 배터리 포트폴리오를 준비 중이다. 전고체 배터리는 고사양 전기차를 위한 제품으로 개발 중이다.

중국 기업의 주력 제품인 리튬인산철(LFP) 배터리보다 높은 성능의 보급형 배터리 개발 계획도 세웠다. 중저가 배터리 시장을 되찾겠다는 의지다. 최근 전기차 업체들이 보급형 모델에 눈을 돌리면서 배터리 시장 주도권도 이에 맞는 LFP 배터리를 제공하는 중국 업체 쪽으로 많이 기울어졌다.

공정 단계 측면에선 공통적으로 건식 전극을 핵심 기술로 연구하고 있다. 기술의 난이도가 높지만 차세대 배터리에 적용할 경우 원가도 절감하고, 보다 고성능을 구현할 것으로 기대했다.

■LG엔솔 “2030년 이전 차세대 배터리 개발…'전고체' 기술력도 업계 앞서”

이날 연사로 나선 정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터 부사장은 “리튬이온전지를 지속 개량함과 동시에 차세대 배터리 기술을 개발하고 있다”며 “고성능 부문은 황화물계 배터리로, 평균~하위 부문은 LFP와 리튬인산망간철리튬(LMFP) 배터리를 활용하면서 반고체 바이폴라 배터리로 가격 경쟁력을 강화해나갈 것”이라고 언급했다.

현재 개발 중인 차세대 배터리들은 적어도 2030년 이전에 개발을 마칠 것으로 전망했다.

정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터 부사장

LG에너지솔루션은 지난 10여년간 차세대 배터리로 리튬황배터리를 개발해왔다.

정근창 부사장은 “시험 단에선 가장 우수한 성능과 수명을 기록했지만 범용화하는 데에는 어려움을 겪고 있다”면서도 “황은 가격이 저렴하면서도 에너지를 많이 담을 수 있어 시장에서 승산 있는 제품이 될 것”이라고 소개했다. 현 기술 수준에선 500Wh/kg 수준까지 에너지 밀도를 높였다.

정 부사장은 “안전성 문제가 고민인데, 고고도 무인기 활용 사례에 한해선 꽤 검증된 제품 설계를 가지고 있다”며 “리튬황 배터리를 처음 출시하고 활용 경험을 쌓아나가는 데 적절한 사례가 될 것”이라고 기대했다.

장기적으로는 항공 모빌리티에 활용할 만한 고에너지·고출력 특성을 지닌 배터리로도 활용하게 될 것으로 전망했다. 이를 위한 에너지 밀도와 출력 성능은 어느 정도 구현했고, 배터리 수명을 늘리는 데 기술 개발을 집중하고 있다.

전고체 배터리에 대해선 이전보다 기술력에 있어 자신감을 내비쳤다. 지난 3월만 해도 “보수적 관점에서 개발하고 있어 양산 시점이 늦어지고 있다”고 밝힌 데 비해 보다 긍정적으로 뉘앙스가 바뀌었다.

정 부사장은 전고체 배터리에 대해 “건식 전극 공정을 활용한 개발 단에선 가장 앞선 단계라고 생각한다”며 “높은 이온 전도도를 가진 조성물을 갖고 있고, 독자적인 나노 코팅으로 양극재를 보호하는 기술로 저항을 줄이고 수명을 늘릴 수 있다”고 강조했다. 활용 사례로는 고성능 전기차와 선박을 들었다.

LG에너지솔루션 차세대 배터리 개발 포트폴리오

높은 에너지 밀도가 강점인 리튬메탈전지도 개발 중이다. 정 부사장은 “성능은 어느 정도 구현이 되지만, 내구성을 높이는 것이 어려운 부분”이라며 “대부분의 리튬 전지 공정을 활용해 제품을 생산할 수 있는 것이 장점으로, 소형 모빌리티와 초소형 기기에서 활용 경험을 쌓은 뒤 자율주행차량 등 대규모 시장에 진입할 계획”이라고 했다.

바이폴라 배터리는 팩 구조를 단순화해 원가 경쟁력을 높일 제품으로 개발되고 있다. 

정 부사장은 “건식 전극 공정을 활용하고 반고체 전해질을 활용하는 것이 특징”이라며 “상당히 어려움이 많지만 구현이 되면 중국산 배터리와 경쟁이 가능할 것”이라고 언급했다.

■ 삼성SDI “전고체 배터리 기술 검증 끝나…샘플 평가 매우 긍정적”

삼성SDI는 그 동안 하이니켈 니켈코발트알루미늄(NCA) 배터리 등 고사양 배터리 위주로 양산해왔다. 지난해부터는 전기차 시장 변화를 고려해 미드니켈 배터리, 코발트가 빠진 NMX 배터리, 기존 LFP 배터리보다 에너지 밀도를 높인 LFP+ 배터리 등 보급형 제품으로 포트폴리오 확장을 준비하고 있다.

폼팩터 차원에선 최근 수요가 확대될 것으로 전망되는 ‘46파이(지름 46mm)’ 원통형 배터리 개발 현황을 소개했다. 고주영 삼성SDI 부사장은 이와 관련해 “올해 양산 준비를 완료해 고객 상황에 따라 양산 시점을 조율할 것”이라며 “다양한 고객 수요에 대응하는 측면에서 지름 외 높이는 다양하게 생산하려 한다”고 했다.

LG에너지솔루션과 마찬가지로 건식 전극 공정도 개발 중이다. 고 부사장은 “스태킹은 와인딩 대비 속도가 느린 것이 단점이었는데, 이를 보완하고자 고속 스태킹 기술을 개발 중”이라고 언급했다.

고주영 삼성SDI 부사장

회사는 차세대 배터리 중 고사양 제품으로 전고체 배터리를 개발 중이다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용해 배터리 폭발과 화재 위험성을 크게 줄이면서도 에너지 밀도를 크게 높일 수 있는 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 단 현재로선 양산 계획을 언급한 기업이 삼성SDI 외에 없다. 때문에 업계에선 양산 가능성에 대해 의구심을 품는 시선도 존재한다.

고 부사장은 전고체 배터리 기술이 사업화를 점칠 정도로 고도화됐다고 밝혔다.

고 부사장은 “삼성종합기술원(SAIT) 단에서 새로운 기술 개발을 진행하고, 어느 정도 발전이 이뤄지면 R&D 센터에서 해당 기술을 플랫폼화한 뒤 사업적으로 활용할 기술들이 회사 사업부서개발팀으로 이관된다”며 “현재 소듐 전고체 배터리, 산화물계 반고체 배터리는 SAIT 단에서 연구되고 있고 반고체 배터리와 리튬 이온 배터리, 리튬황 배터리는 R&D센터에서 연구를 진행 중”이라고 설명했다.

전고체 배터리는 이런 기술적 검증을 다 마친 단계에 이르렀다는 것이다. 고 부사장은 “샘플에 대한 고객 평가가 매우 긍정적”이라며 “하이니켈 배터리의 에너지 밀도를 더 높이는 건 이론적으로는 가능하나 안전성 문제로 한계가 있는데, 전해질을 액체에서 고체로 바꾸면서 안전성을 높이고, 전기차 개발 자유도도 올라갈 수 있다”고 강조했다.

고 부사장은 “지난해 미국 보스턴과 중국 상하이, 독일 뮌헨에 연구소를 개설하고 각지 유명 대학과 산학 협업하고 있다”며 “차세대 배터리 개발 속도를 높이기 위한 것”이라고 했다.

2027년 양산될 전고체 배터리의 폼팩터는 정해지지 않았다. 단 고 부사장은 “화재 안전성을 고려하면 궁극적으로는 각형으로 가게 될 것”이라며 “각형으로 배터리를 구축하는 데 필요한 가압 기술을 개발했고, 자동차 기업들과 2027년 제품 탑재 여부를 논의하고 있는 것”이라고 첨언했다.