- 전고체전지, 8년 뒤 80배 성장…고체 전해질 구현 관건

[디지털데일리 김도현 기자] 포스코 그룹이 2차전지를 신성장동력으로 낙점한 가운데 차세대 배터리에 대한 밑그림을 그려나가고 있다. 전고체전지가 대상으로 기존 양극재에 이어 음극재, 전해질까지 준비 중이다.

11일 시장조사기관 SNE리서치에 따르면 글로벌 전고체전지 시장 규모는 올해 2.1기가와트시(GWh)에서 2025년 30GWh, 2030년 160.1GWh로 커질 전망이다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체한 차세대 제품이다. 불연성 고체 사용으로 화재 위험이 없고 냉각 장치 등이 따로 필요하지 않아 전지 고용량화, 소형화, 형태 다변화 등이 가능한 것으로 전해진다. ‘꿈의 배터리’라 불리는 이유다.

핵심은 전해질이다. 전해질은 양극과 음극 사이를 오가는 리튬이온을 옮기는 작업을 수행한다. 현재 리튬이온배터리에서 쓰는 액체 전해질은 안전 위험이 있다. 온도 변화로 인한 팽창과 외부 충격에 따른 누수 등으로 폭발이 일어날 수 있다.

고체 전해질은 구조상 액체 대비 충격 및 훼손 등에 강하다. 칸막이 역할도 맡을 수 있어 분리막을 최소화 또는 제외할 수도 있다. 배터리 무게가 가벼워지거나 에너지 밀도를 높일 수 있다.

앞서 포스코홀딩스는 고체 전해질 기술을 보유한 정관과 합작사(JV) ‘포스코JK솔리드솔루션’을 만들었다. 해당 JV는 지난달 28일 경남 양산에 연산 24톤 규모 고체 전해질 공장을 준공했다. 물량이 많지 않은 만큼 우선 전고체전지 연구개발(R&D)용으로 활용하고 향후 수천톤급으로 생산능력(캐파)을 늘릴 계획이다.

포스코케미칼은 리튬메탈 음극재를 개발 중이다. 상용화된 흑연 또는 실리콘 기반이 아닌 리튬메탈을 원료로 하는 음극재다. 기존품 대비 10배 이상 에너지 밀도를 높이고 4분의 1 수준으로 경량화가 가능하다는 평가를 받는다. 전고체전지에 적용 시 안정성과 고용량 효과가 높아지는 것으로 전해진다.

아울러 양극재 성능도 지속 높이고 있다. 전용 양극재가 별도로 있는 것은 아니나 하이니켈, 단결정 등 특성이 전고체전지 장점을 극대화할 것으로 예상된다. 포스코케미칼은 니켈 함량 90% 수준 양극재 개발을 완료했고 올해 안으로 96% 제품을 시험 생산하는 게 목표다.

지난 10일 종합 준공한 전남 광양공장에서는 단입자(단결정) 양극재도 생산된다. 기존 양극재는 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 다결정 형태다. 다결정 양극재는 배터리 전극 공정 중 압연(양극활물질이 코팅된 알루미늄판을 회전하는 롤 사이로 통과시키는 방식) 과정에서 결정체가 부서지면서 그 사이로 이물질이 들어가거나 밀도가 낮아지는 현상이 발생하기도 한다. 이로 인해 가스 발생이 늘고 충·방전 주기에 영향을 준다. 단결정 양극재는 하나의 입자인 만큼 관련 이슈가 사실상 없어 차세대 소재로 꼽힌다.

한편 전고체전지는 2027년 전후로 시장이 개화할 전망이다. 주요 배터리 제조사는 물론 완성차업체까지 준비에 돌입한 상태다. 다만 기술적 난도로 진정한 상용화까지는 더 시간이 걸릴 수 있다는 관측도 나온다.