"전고체 배터리, 2025년부터 본격화…삼성·LG·CATL 각축"

SNE리서치 'NGBS 2022'…글로벌 기업 54곳 전고체 배터리 연구

"황화물·산화물·고분자·하이브리드 등 다양한 소재 공존"

"2030년 전고체 배터리 수요 160GWh…전체 3.8% 차지"

전고체 배터리 상용화 시나리오ⓒSNE리서치

전고체 배터리 양산을 위해 글로벌 기업들이 앞다퉈 기술 개발에 나서고 있지만 상용화까지는 10년 이상의 기간이 필요할 것이라는 주장이 제기됐다.

다만 황화물, 산화물 등 여러 고체전해질 연구가 진행중인만큼 전고체 배터리가 상용화된다면 다양한 기술이 공존하는 형태가 될 것으로 전망했다.

김대기 SNE리서치 부사장은 14일 서울 코엑스에서 열린 NGBS 2022(Next Generation Battery Seminar)에서 '전고체전지 기술 현황 및 시장 전망' 발표를 통해 이 같이 전망했다.

전고체 배터리는 리튬이온 배터리 핵심 소재 중 하나인 전해질이 액체가 아닌 고체인 배터리를 말한다. 유기 용매가 없으므로 불이 나지 않아 안전성을 높일 수 있는 꿈의 배터리로 불린다. 또 음극을 흑연/실리콘 대신 리튬 금속을 적용하기 때문에 에너지밀도도 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

현재 시장에서 연구하는 고체전해질은 황화물(Sulfide), 산화물(Oxide), 고분자(폴리머) 등으로 구분된다.

황화물계는 상대적으로 이온전도가 높고 생산성이 좋다는 장점을 갖고 있다. 다만 원료로 쓰이는 황화리튬 가격이 비싸고, 유해가스인 황화수소가 나와 이를 극복하는 것이 과제다.

산화물계는 이온전도가 높고 안전성이 우수하다는 평가를 받지만 1000°C 이상의 높은 소결 온도를 필요하며, 상대적으로 크기가 큰 제품을 만들기 어렵다.

드라이 폴리머는 배터리 공정으로 활용되는 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 적용이 용이하지만 이온전도가 상대적으로 낮다는 단점이 있다. 겔 폴리머는 이온전도가 양호하나 기계적 강도가 낮다는 평가다.

현재 전고체 배터리 연구에 뛰어든 기업은 총 54개로 북미 18개, 유럽 7개, 일본 7개, 중국 10개, 한국 7개 등이다. 산화물계와 고분자는 유럽과 북미 기업들이 강점을 보이고 있으며, 한국은 황화물계를 연구하는 곳이 3곳이다.

LG에너지솔루션은 업계에서 유일하게 고분자계(폴리머), 황화물계를 모두 개발하고 있다. 오는 2026년까지 고분자계 전고체 배터리를, 2030년까지는 황화물계 전고체 배터리 상용화를 목표로 하고 있다.

전고체 배터리 시장 전망ⓒSNE리서치

삼성SDI는 지난달 전고체 배터리 파일럿 라인(S라인)을 착공했다. 2027년부터 음극이 없는(Anodeless), NCA(니켈 94%) 배터리 등을 생산할 계획이다.

토요타는 2025년까지 폴리머나 산화물 물질을 배합한 하이브리드 배터리를 먼저 개발한 뒤 추후 전기차(EV)에 적용하는 플랜을 두고 있다.

대만의 프롤로지움(Prologium)은 2022년부터, 미국 퀀텀스케이프는 2025년부터 각각 상용화하겠다는 계획이다.

전고체 배터리는 먼저 소형 IT용/ESS(에너지저장장치)용으로 먼저 활용되다 2025년부터 전기차용으로 활용될 것으로 김 부사장은 전망했다.

삼성SDI, LG에너지솔루션, 중국 CATL 등 대형 배터리업체들은 2025년부터 적은 규모로 생산능력을 갖추기 시작해 점진적으로 생산 규모를 늘려나갈 것으로 내다봤다.

김 부사장은 "지난해까지만 하더라도 회사들을 인터뷰하면 2020년대 후반을 대답하는 곳이 많았으나 최근에는 연도를 오픈하는 기업들이 늘었다"면서 "2024~2025년에 양산을 시작하는 업체들이 생길 것으로 본다"고 말했다.

전고체 배터리 수요는 2025년부터 본격화돼 2030년이 되면 160.1GWh(기가와트아워)로 늘어날 것으로 봤다. 2022년 2.1GWh의 80배 수준이다. 다만 전체 배터리 수요(4175GWh)와 비교하면 비중은 3.8%에 불과해 상용화까지는 시간이 더 걸릴 것으로 전망했다.

고체전해질 시장 전망ⓒSNE리서치

이 시기 고체전해질은 2030년 기준(160GWh) 하이브리드 20.7GWh, 산화물 29.6GWh, 고분자 59.8GWh, 황화물 46GWh에 달할 것으로 분석했다.

비중으로 보면 하이브리드 13%, 산화물 18%, 고분자 37%, 황화물 29%로, 다양한 고체전해질 소재가 공존하는 형태가 될 것으로 진단했다.