“전고체 배터리, 전체 공정에 신개념 도입 필요한 시점”

[유지상 한국전자기술연구원 차세대전지연구센터장] 최근 전고체 전지는 현재의 전기자동차용 리튬이온전지의 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 전지로 국내외에서 매우 활발한 연구개발이 진행되고 있습니다. 전고체 전지는 기존 리튬이온전지 대비 폭발/발화의 가능성이 현저히 낮으며 동시에 높은 에너지 밀도를 구현 가능한 전지로 많은 각광을 받고 있습니다.

현재 인산철 전지가 국내 전지 기업이 주력으로 하고 있는 NCM계 전지 대비 안전성 및 가격의 우위를 바탕으로 전기자동차용 전지로 급속히 시장을 확대하고 있지만 인산철 전지 역시 완벽한 안전성을 제공하지 못하고 다수의 화재가 중국에서 발생하고 있는 실정입니다. 이에 반하여 전고체 전지는 가연성 소재인 액체 전해질과 분리막을 사용하지 않으므로 그만큼 화재 안전성의 우려를 개선할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

현재 전고체 전지는 고분자계, 산화물계, 황화물계 고체 전해질을 채용한 전지 3가지 형태에 대해 연구개발이 진행되고 있으나 현재는 일본의 도요타 등이 주력으로 하는 황화물계 전고체 전지가 주력으로 떠오르고 있습니다. 아직까지 고분자계 전고체 전지의 경우 과거의 기술적 난제들을 완벽히 극복하고 있지 못하며 산화물계 전고체 전지의 경우 고체전해질의 높은 밀도로 인해 전지의 높은 에너지 밀도 구현이 쉽지 않은 실정입니다. 반면 황화물계 전고체 전지의 경우 액체전해질과 유사한 높은 이온전도성을 갖는 황화물계 고체전해질의 성능을 바탕으로 국내외에서도 활발히 연구되고 있습니다.

국내에서도 삼성SDI가 최근 전고체 전지 전용 파일럿 라인 가동을 시작으로 다양한 기업들에서 연구개발이 진행되고 있습니다. 현대자동차의 경우 전고체 전지에 대한 자체 기술력을 세계 선두권 수준으로 끌어올리고 있으며 SK온의 경우 미국의 선두권 업체인 솔리드파워사와의 협업을 통해 전고체 전지 관련 기술력 확보에 도전하고 있습니다. 이와 같이 국내 전지 관련 기업들은 세계 선두권 업체와 경쟁하기 위한 대규모의 연구개발을 진행하고 있으나 국내 소재 기업들은 아직까지는 전고체 전지 관련 연구는 미미한 실정입니다.

최근 포스코JK, 에코프로비엠, 씨아이에스 등과 같은 소재 전문기업에서 전고체 전지용 황화물계 고체 전해질 개발이 진행되고 있으나 아직까지는 일본계 소재 기업 대비 기술 개발의 진척도가 낮은 실정이며 전고체 전지용 양/음극 소재에 대한 기술 개발은 미미한 실정입니다. 다행히 내년도에도 정부의 전고체 전지 관련 R&D 지원이 계속될 전망으로 국내 소재 기업들의 적극적인 전고체 전지 관련 연구개발 역시 축소되지 않고 진행될 전망입니다.

전고체 전지의 경우 기존 리튬이온전지와 같은 방식의 제조 공정 적용이 힘들어 새로운 전고체 전지 제조 공정의 도입이 매우 필요합니다. 아직까지 국내 주요 기업들에서 검토중인 현재의 전고체 전지의 생산 공정은 현재의 리튬이온전지 대비 생산 속도가 매우 낮은 문제가 있습니다. 국내 이차전지 관련 많은 제조 장비 기업들의 전고체 전지 관련 장비 개발 노력 및 제조 공법의 혁신이 더욱 절실한 때입니다. 현재 소재 위주의 획일적인 국내 전고체 전지 연구에서 벗어나 새로운 전고체 전지의 전극제조공정부터 적층 공정, 가압공정, 화성 공정에 이르기까지 전체 공정에서 새로운 개념 도입이 필요한 시점이라 생각됩니다.

전고체 전지 분야에서 국내 기업들이 일본의 도요타 등을 넘어서 세계를 제패할 시기를 앞당기기 위해서는 소재 기업 뿐만 아니라 장비 분야에서도 변화와 혁신이 필요한 시점인 것 같습니다. 전고체 전지는 미래 혁신 기술로 아직까지도 많은 정부의 투자와 산학연의 적극적인 노력이 필요하며 세계 최초를 위한 빠른 양산보다는 절대 안전한 전지 개발을 위한 기술 개발이 필요하다고 생각됩니다.