꿈의 배터리 ‘전고체’…배터리 빅3, 상용화에 승부수

▲삼성SDI 전고체 배터리 샘플.

국내 배터리 빅3(LG에너지솔루션·삼성SDI·SK온)가 '꿈의 배터리'로 불리는 '전고체 배터리' 상용화에 사활을 걸고 있다.

전기차와 로봇 등 차세대 기술을 중심으로 글로벌 산업 생태계가 빠르게 재편되는 가운데 안전성과 성능을 동시에 갖춘 전고체 배터리가 미래 산업 판도를 뒤흔들 핵심 기술로 떠오르고 있기 때문이다.

19일 업계에 따르면 전기차 시장 확대와 함께 로봇 산업이 본격 성장 국면에 접어들면서 차세대 배터리에 대한 수요가 급증할 것이라는 전망이 나오고 있다.

글로벌 산업계에서 차세대 배터리로 가장 주목받는 기술은 전고체 배터리다. 현재 배터리 시장은 니켈·코발트·망간(NCM) 배터리 등 삼원계 배터리와 리튬·인산·철(LFP) 배터리가 양대 축을 이루며 경쟁하고 있다. 다만 두 배터리 모두 뚜렷한 한계를 안고 있는 상황이다.

삼원계 배터리는 높은 에너지 밀도를 강점으로 하지만 화재·폭발 등 안전성 우려가 지속적으로 제기된다. 반면 LFP 배터리는 안정성과 가격 경쟁력이 뛰어나지만 상대적으로 성능 측면에서는 다소 뒤처진다는 평가를 받는다.

전고체 배터리는 이러한 문제를 동시에 극복할 수 있는 차세대 기술로 꼽힌다. 전고체 배터리는 전해질이 액체인 리튬이온 배터리와 달리 전해질이 고체로 구성돼 에너지 밀도가 높고 열과 압력에 강해 화재·폭발 위험이 적다는 장점이 있다.

실제 전기차 산업을 살펴보면 글로벌 완성차 기업들은 현재까지 삼원계 배터리나 LFP 배터리를 중심으로 전동화 전략을 추진하고 있다. 그러나 삼원계 배터리의 경우 전기차 화재 및 폭발 사고가 잇따라 발생하면서 안전성에 대한 소비자 우려가 심화되고 있다. 업계에서는 이러한 불안감이 전기차 캐즘(일시적 수요 정체) 현상에도 일정 부분 영향을 미쳤다는 분석이 나온다.

LFP 배터리 역시 안전성과 가격 경쟁력은 뛰어나지만 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 특히 LFP 시장은 중국 기업들이 사실상 장악하고 있어 글로벌 완성차 업체들에게 공급망 부담으로 작용하고 있다.

로봇 산업에서도 배터리 기술의 중요성이 커지고 있다. 현재 대부분의 로봇에는 삼원계 배터리가 적용되고 있는 것으로 알려졌지만 로봇은 장시간 작업과 높은 출력이 요구되는 만큼 안전성과 효율을 동시에 확보할 수 있는 배터리 기술이 필요하다. 이에 따라 업계에서는 차세대 대안으로 전고체 배터리가 부상하고 있다.

이처럼 전기차와 로봇 등 미래 산업에서 전고체 배터리의 역할이 확대될 것으로 전망되면서 관련 기술을 선점하기 위한 기업들의 경쟁도 치열해지고 있다.

실제 글로벌 시장조사업체 코히런트 마켓 인사이트(CMI)의 보고서에 따르면 전세계 전고체 배터리 시장 규모는 지난해 약 19억7180만달러(약 2조8600억원)에서 오는 2032년 약 199억6810만달러(약 29조억원)로 확대될 전망이다. 이 기간 연평균 성장률(CAGR)은 39.2%에 달한다.

업계는 전고체 배터리가 전기차와 로봇을 비롯해 가전·웨어러블·의료기기 등 소형 제품 분야로도 적용 범위를 넓히며 차세대 배터리 시장의 중심으로 자리 잡을 것으로 보고 있다.

현재 국내 배터리 기업 가운데 전고체 배터리 개발에서 가장 앞서 있다는 평가를 받는 곳은 삼성SDI다. 삼성SDI는 지난 2023년 국내 배터리 업계 최초로 전고체 배터리 파일럿 라인을 수원 연구소에 구축한 뒤 시제품 생산에 돌입했으며 현재 여러 고객사에 샘플을 공급하고 테스트를 진행 중이다.

지난해 말에는 독일 BMW, 미국 솔리드파워와 전고체 배터리의 자동차 탑재를 위한 기술 검증 프로젝트를 공동 추진하기로 하는 등 전고체 기술 분야에서 글로벌 업계를 주도하고 있다는 평가도 나온다.

삼성SDI는 이달 초 실적발표 콘퍼런스콜에서 “차세대 전고체 배터리는 내년 양산을 목표로 사업 기회를 확대하는 동시에 연내 라인 증설 투자를 진행하는 등 계획한 일정에 맞춰 상용화를 준비하고 있다"고 밝히기도 했다.

LG에너지솔루션과 SK온 역시 전고체 배터리 사업에 속도를 올리고 있다.

LG에너지솔루션은 경쟁력을 갖춘 전고체 배터리를 선보이기 위해 전해질 소재 강화와 고밀도화 구현이 가능한 공정 기술을 개발하고 있다.

회사는 오는 2029년 전기차용 흑연계 전고체 배터리를 상용화하고 2030년에는 무음극계 전고체 배터리를 휴머노이드(인간형) 로봇용으로 우선 적용한다는 계획이다.

흑연계 전고체 배터리는 기존 흑연 음극재를 활용해 구조적 안정성과 양산성 확보에 유리하다는 평가를 받는다. 무음극계 방식은 음극재 없이 집전체만을 활용해 부피당 에너지 밀도를 극대화할 수 있어 공간 제약이 엄격한 휴머노이드 로봇의 구동 시간을 높이는 데 최적화된 기술로 꼽힌다.

SK온은 2029년 상용화를 목표로 전고체 배터리 개발을 추진하고 있으며 초기에는 방산용 분야에서 적용 가능성이 큰 것으로 알려졌다.

이를 위해 SK온은 대전 미래기술원 내 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 구축하고 황화물계 전고체 배터리와 리튬 메탈 배터리 등을 개발 중이다.

또한 솔리드파워와의 협력을 통해 셀 설계 및 공정 기술 연구개발을 진행하고 황화물계 고체전해질을 공급받는 방식으로 개발 속도를 높이고 있다.

박지성 기자 captain@ekn.kr