삼성SDI·LG엔솔·SK온 등 전고체 로드맵 속속 공개..‘상용화 박차’

[이데일리 박민 기자] 현재 국내에서 전고체 배터리 상용화에 가장 가까이 다가섰다는 평가를 받은 곳은 삼성SDI(006400)입니다. 올해 3월 LG에너지솔루션(373220), SK온 등 배터리 3사 중 가장 먼저 전고체 전지 시험생산 라인인 ‘파일럿 라인(S라인)’ 을 착공하면서 전고체 양산 채비에 나선 것입니다. 파일럿 생산 라인은 올해 완공을 목표로 경기도 수원시 영통구에 위치한 SDI연구소 내에 약 6500㎡(옛 2000평) 규모로 구축하고 있습니다.

경기도 수원에 있는 삼성SDI 연구소 전경.(사진=삼성SDI)

삼성SDI의 S라인에는 전고체 전지 제조를 위한 전용 설비들로 채워집니다. 전고체 전지 전용 극판과 고체 전해질 공정 설비, 전지 내부의 이온 전달이 원활히 이뤄지도록 만들어주는 셀 조립 설비를 비롯해 신규 공법과 인프라가 도입될 예정입니다.

삼성SDI는 ‘S라인’을 통해 전고체 전지 연구 성과를 검증하고, 생산 기술까지 단번에 확보하겠다는 방침입니다. 2023년에 소형 배터리, 2025년에는 전기차를 포함한 중·대형 배터리의 전고체 관련 기술 검증을 마치고, 2027년부터 본격적인 양산에 들어가겠다는 계획입니다.

그동안 삼성SDI는 고체 전해질 설계와 합성에 성공해 전고체 전지 시제품을 만드는 등 기술 개발에 힘써왔습니다. 앞서 삼성전자 종합기술원과 협력해 1회 충전으로 주행거리 800km, 1000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개하기도 했습니다. 이 기술은 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재된 바 있습니다.

LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 전지를 시작으로 2030년에는 황화물계 전고체 전지를 차례로 시장에 내놓겠다는 로드맵을 공개한 바 있습니다. 고분자계 전고체 배터리의 경우 하이브리드 형태의 고체 전해질을 개발해 최대 단점을 꼽는 낮은 이온전도도를 개선하겠다는 계획입니다.

이를 위해 LG에너지솔루션은 현재 △고분자 전해질과 액체 전해질을 혼합한 젤라이트 형태 △액체 전해질 양을 최소화한 반고체 형태 △액체 전해질을 대신한 무기계 전고체 소재와의 하이브리드 형태 등을 통해 이온 전해 안정성을 확보하는 연구를 하고 있습니다.

또 2030년 양산을 목표로 하고 있는 황화물계 전고체 전지는 공기중의 수분과 반응해 황화수소 가스 생성되는 단점이 있어 내수분성을 높이는 기술 개발을 진행하고 있습니다. 특히 이 전지는 기존의 습식 공정으로는 제조하기 어려워 높은 가압의 건식제조 공정도 함께 연구하고 있습니다.

SK온과 협업하고 있는 미국 조지아 공대 이승우 교수진이 개발한 고무 형태의 ‘고분자 고체 전해질’.

SK온 역시 전고체 배터리 양산 시점은 타사와 비슷하게 잡고 있습니다. 현재 미국의 전고체 배터리 스타트업인 솔리드파워와 함께 기존 리튬이온 배터리 생산 설비에서 제조할 수 있는 전고체 전지를 개발하고 있습니다. 또 미국 조지아 공대 이승우 교수진이 개발한 이온 전도도를 100배나 향상시키면서 고무와 같은 신축성까지 확보한 고체 전해질의 상용화를 위해 SK온이 독자적으로 확보해온 기술을 더해 연구개발을 진행하고 있습니다.

다만 글로벌 전체 시장에서 국내 기업보다 더 빨리 전고체 전지 상용화 계획을 발표하고 주도권을 넘보는 곳은 일본입니다. 가장 앞선 곳은 일본의 완성차 업체 도요타입니다. 도요타는 오는 2025년부터 전고체 전지를 탑재한 차량을 출시하겠다고 공식적으로 밝힌 바 있습니다. 앞서 지난해 9월 전고체 배터리를 탑재한 시제품 차량의 운행 모습을 공개하기도 했습니다. 닛산은 2024년에 전고체 배터리 시제품 생산 설비를 구축하고, 2028년에 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 첫 출시하겠다고 목표로 잡았습니다. 혼다 또한 전고체 전지 실증 생산 라인을 2024년부터 가동하겠다는 계획입니다.