학문
차세대 배터리 시장에서 '전고체 배터리'가 리튬이온 배터리를 완전히 대체할 수 있을까요?
안녕하세요.
현재 이차전지시장은 액체 전해질을 쓰는 리튬이온 배터리가 주류지만, 화재 위험 때문에 전고체 배터리가 '꿈의 배터리'로 주목받고 있다고 들었습니다. 고체 전해질의 계면 저항 문제나 양산 공정상의 한계가 여전히 크다고 알고 있는데, 재료공학적 관점에서 이 기술이 상용화될 핵심 돌파구는 무엇인지, 그리고 향후 10년 내에 기존 배터리 시장을 완전히 대체할 가능성이 있을까요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
전고체 배터리 제가 예전에 논문에서 접했을 때만 해도 정말 미래의 꿈의 배터리였는데, 이제는 현실에 다가오고 있는 것 같습니다.
전고체 배터리는 안정성 측면과 에너지 밀도 측면에서 큰 메리트를 가칩니다. 그러나 10년 안에 모든 리튬이온 배터리를 완전히 대체하기는 어렵다고 생각합니다. 말씀하신대로 고체 전해질의 경우 전극이 맞닿는 계면 저항이나 균열, 리튬 덴드라이트 같은 문제를 안정적으로 잡는 것이 중요할 수 있습니다.
이 때문에 황화물계 고체전해질을 사용한다던지 다양한 방법들이 모색되고 있습니다. 양산화 측면에서도 이미 리튬 이온 배터리 제조를 위해 깔려있는 라인들이 상당히 많기 때문에, 고급 전기차나 특수한 용도부터 점차 용도가 확대될 것으로 생각합니다.
그리고 리튬이온배터리가 워낙 성능이 좋기 때문에, 가격 경쟁력이나 특성 등 모든 것을 따져봤을 때는 경쟁력을 갖추기까지는 많은 시간이 소요될 것으로 예상합니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
전고체 배터리는 화재 안정성과 에너지 밀도 면에서 압도적이지만 고체 인터페이스 간의 계면 저항을 줄이기 위한 고압축 공정 기술과 황화물계 전해질의 대기 안정성 확보가 상용화의 핵심 돌파구가 될것이며 이를 위해 하이브리드 전해질이나 건식 코팅 공정 도입을 활발해 연구되고 있습니다 기술적 진보에도 불구하고 리튬이온 배터리 대비 5~10배에 달하는 높은 제조 원가와 복잡한 양산 공정으로 인해 향후 10년 내에 기존 시장을 완전히 대체하기 보다는 고성능 프리미엄 전기차 및 항공용 등 특수 시장부터 점진적으로 점유율을 높여가는 전략을 취할 가능성이 큽니다
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
전고체 배터리가 리튬이온을 완전히 대체할 수 있느냐에 대해서는 10년 내에는 어렵다는 쪽이 현실적인 전망이에요. 다만 특정 영역부터 파고들어 점진적으로 영역을 넓혀갈 가능성은 충분히 열려 있답니다.
전고체 배터리의 핵심 매력은 액체 전해질을 고체로 바꾸면서 화재 위험을 근본적으로 낮추고, 리튬 금속 음극처럼 에너지 밀도가 높은 소재를 쓸 수 있게 된다는 거예요. 이론상 같은 크기에 훨씬 많은 에너지를 담을 수 있으니 전기차 주행거리가 획기적으로 늘어나는 거죠. 하지만 이론과 양산 사이의 간극이 아직 넓어요.
가장 큰 기술적 병목은 계면 저항 문제예요. 액체 전해질은 전극 표면에 젖어들면서 빈틈 없이 접촉하는데, 고체끼리는 아무리 눌러 붙여도 미세한 틈이 생겨요. 이 틈이 이온이 오가는 길을 막아서 충방전 효율이 떨어지고, 충방전을 반복하면 전극이 팽창 수축하면서 접촉이 더 나빠지는 악순환이 일어나거든요. 리튬 금속 음극을 쓸 경우 충전할 때 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트 문제도 고체 전해질에서 완전히 해결된 건 아니에요. 황화물계 전해질은 이온 전도도가 높아 유망하지만 공기 중 수분에 닿으면 황화수소 가스가 나오는 문제가 있고, 산화물계는 안정적이지만 딱딱해서 가공이 까다로워요.
상용화의 돌파구로 가장 많이 거론되는 건 세 가지예요. 첫째는 전극과 전해질 사이에 완충 역할을 하는 계면 코팅 기술인데, 나노미터 두께의 버퍼층을 입혀 접촉을 유지하면서 부반응을 억제하는 방식이에요. 둘째는 황화물 전해질의 대기 안정성을 높이는 조성 설계로, 할로겐 원소를 첨가해 수분 반응성을 낮추는 연구가 빠르게 진전되고 있어요. 셋째는 기존 리튬이온 공정 장비를 최대한 활용할 수 있는 습식 공정 개발이에요. 전고체 배터리는 건식 프레스 공정이 기본인데, 이걸 기존 설비와 호환시키지 못하면 공장을 처음부터 새로 지어야 해서 원가 경쟁력이 나오지 않거든요.
현실적인 시나리오를 보면, 토요타가 2027년에서 2028년경 소규모 양산을 목표로 잡고 있고 삼성SDI도 비슷한 시기를 언급하고 있지만 초기 물량은 프리미엄 전기차에 한정될 가능성이 높아요. 가격이 기존 리튬이온 대비 몇 배 이상일 텐데 대중차 시장까지 내려오려면 생산 단가가 획기적으로 떨어져야 해요. 그동안 리튬이온 배터리도 가만히 있는 게 아니라 실리콘 음극이나 건식 전극 같은 개량 기술로 성능을 꾸준히 끌어올리고 있어서 쫓아가야 할 기준선 자체가 계속 올라가고 있거든요.
그래서 10년 안에 완전한 대체보다는 고급 전기차, 항공 모빌리티, 의료기기처럼 안전성과 에너지 밀도가 가격보다 중요한 시장에서 먼저 자리를 잡고, 이후 공정이 성숙하면서 점차 범용 시장으로 확산되는 흐름이 될 거예요. 꿈의 배터리라는 수식어가 과장은 아니지만, 꿈이 현실이 되려면 아직 넘어야 할 공정 기술의 산이 꽤 남아 있는 셈이랍니다 :)