'게임체인저 못 놓쳐'…中, 전고체 배터리 거센 추격

[이데일리 김성진 기자] ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 개발은 우리나라만 하고 있는 것이 아니다. 정부의 막강한 지원에 힘입어 글로벌 배터리 시장 점유율 1위 기업 CATL을 만들어낸 중국 역시도 전고체 배터리 개발에 총력을 기울이는 모습이다. 상용화에 성공만 한다면 배터리 시장 판도를 바꿀 것으로 예상되는 이 기술을 중국 정부와 배터리 업체들도 결코 놓칠 수 없다고 본 것이다.

실제로 지난 5월 중국 정부는 전고체 배터리 개발 프로젝트에 60억 위안(1조1300억원) 이상을 투자할 계획이라고 밝혔다. 6개 중국 기업이 국가 자금을 지원받아 이 기술을 연구할 예정이다. 배터리 제조업체 CATL, 전기차 업체 니오가 지원하는 위라이언신에너지 기술, 세계최대 EV 판매업체이자 배터리제조업체 BYD, 자동차업체 FAW, 상하이자동차(SAIC), 지리가 여기 포함됐다.

(출처=코트라.)

중국의 개별 기업들은 이미 전고체 배터리 개발 계획을 내놓고 상용화에 박차를 가하고 있다. 상하이자동차는 2025년 전고체 배터리(ASB) 생산라인을 구축하고 2026년 양산을 시작해 2027년에 전고체 배터리를 장착한 신차를 출시할 것이라는 계획을 내놨다. CATL은 지난 4월 오는 2027년에 전고체 배터리 소량 생산을 할 수 있는 수준에 도달할 것이란 청사진을 공유했다.

중국의 전기차 업체 니오는 이 전고체 기술을 일부 적용한 양산형 모델을 지난 4월 오토차이나에서 선보이기도 했다. 액체 전해질과 고체 전해질의 중간 단계인 반고체 배터리를 적용한 신형 순수전기세단 ‘ET7’의 부분변경 모델을 공개했다.

중국 배터리와 부품, 소재 업체도 전고체 배터리 기술 개발과 양산 계획을 발표하고 있다. 칭타오에너지, 웨이란에너지등 2개 기업은 이미 반고체 배터리 양산을 시작했다. 칭타오에너지는 2024년까지 연 생산량이 9Wh 규모인 공장을 증설하고 있으며, 완공되면 전기차 7만5000대에 공급할 수 있는 분량의 반고체와 전고체 배터리를 생산할 수 있게 된다. 웨이란에너지는 베이징, 저장성 등 4개 지역에서 생산기지를 건설하기 시작했다. 4개 기지의 생산능력은 각각 100GWh에 달할 전망이다.

2023~2030년 중국 전고체 배터리 시장 규모 추이.(출처=화경산업연구원.) 단위:억 위안.

이처럼 중국의 전기차 및 배터리업체들이 전고체 배터리 개발에 속도를 내는 이유는 전고체 배터리가 시장 판도를 완전히 뒤집을 것으로 예상되기 때문이다. 중국상업산업연구소의 분석에 따르면 2030년까지 글로벌 전고체 배터리 출하량이 614.1GWh로 성장할 것으로 예상된다. 2023년 전 세계 전고체 배터리 수출 규모가 1GWh 정도였던 점을 감안하면 앞으로 폭발적인 성장이 전망되는 것이다. 또 중국의 화경산업연구원은 중국의 전고체 배터리 시장 규모가 2024년 들어 전년 대비 70% 늘어난 17억 위안(약 3222억 원)으로 성장할 것으로 예측했으며, 2030년에는 그 규모가 200억위안(약 3조8000억원)으로 확대할 것으로 내다봤다.

황화물·산화물·폴리머…다양한 전고체 후보들

전고체 배터리 기술 패권을 차지하기 위한 세계 각국의 경쟁이 치열하게 전개될 것으로 보인다. 한국과 일본은 황화물계, 중국은 산화물계, 유럽은 폴리머계에 무게를 두고 연구개발(R&D)을 진행하고 있다.

황화물계 전해질은 3가지 종류의 고체 전해질 중 이온 전도도가 가장 높다는 특장점을 갖고 있다. 여기에 900Wh/L 이상의 높은 에너지 밀도로 구현 가능해 전고체 배터리 대세 소재로 손꼽힌다. 황화물의 단점은 흡습성이 있다는 것이다. 산소 등 습기와 접촉을 하면 독성 가스인 황화수소를 만들어내기도 한다. 제조 공정에서 재료를 다룰 때 안전에 만전을 기울여야 한다.

산화물은 안정성 측면에서 황화물보다 뛰어나다는 평가다. 또 고온에서 안정적인 성능을 내 충방전 효율이 높다. 그러나 연성이 없어서 전해질과 전극의 접촉이 쉽지 않다는 게 단점이다. 이 때문에 산화물계 전고체배터리에는 1000도 이상의 고온소결 과정이 필수로 들어가야 한다. 현재까지 산화물 전고체 배터리는 IoT(사물인터넷) 및 소형전자기기 등 저용량의 전력원으로 이용되고 있다.

폴리머계 전해질은 기존 액체 전해질 기술과 유사해 활용도가 높다는 장점이 있다. 또 제조 공정도 비슷하기 때문에 비용 경쟁력도 갖추고 있다. 앞선 황화물, 산화물계 전해질에 비해 폴리머계 전해질 원재료는 구하기가 상대적으로 용이해 대규모 생산에도 적합하다. 다만 가장 중요한 요소로 꼽히는 이온 전도도가 낮다는 것은 문제다. 이론적으로는 상온에서 합리적인 이온 전도도를 가진 것으로 보고가 되긴 했지만, 아직 이를 상용화할 방법을 찾지는 못한 상태로 알려졌다.