[디지털데일리 배태용 기자] '꿈의 배터리'라고 불리는 전고체 배터리. 중국을 필두로 2026년부터 본격적으로 양산이 가능할 것으로 전망되는 것, 알고 계시나요. 사실 전고체 양산 시점은 각 국가, 기업마다 다릅니다. 한국의 삼성SDI가 2027년 양산, LG에너지솔루션은 2030년을 목표로 두고 있는 것을 보면, 차이가 확연히 나지요.

2026년이란 가장 빠른 시간표를 제시한 곳은 중국 주요 자동차 제조사 중 하나인 상하이자동차(SAIC) 입니다. 2025년 전고체 배터리 생산라인을 구축하고, 2026년 양산을 시작한다는 계획을 내놨습니다. 전고체 배터리를 장착한 신차 출시 시점으로는 2027년을 제시했습니다.

전고체 배터리가 본격적으로 양산되기 시작하면, 글로벌 자동차 시장의 흐름도 또 한 번 바뀌게 될 가능성이 높을 것으로 점쳐집니다. 성능이 워낙 뛰어나서인데요.

전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에서 사용되는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리입니다. 액체 대신 고체를 사용한다는 점에서 차이가 큰데요. 이 작은 차이가 배터리 성능에는 혁신적인 변화를 불러오기 때문입니다. 고체 형태의 전해액을 쓰는 것만으로도 압도적인 성능은 물론, 안전성까지 대폭 끌어올릴 수 있습니다.

기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용해 외부 충격이나 고온에 노출될 때 폭발이나 화재의 위험이 컸습니다. 고체 전해질은 액체 전해질과 달리 가연성이 없고, 열에 안정적입니다. 따라서 외부 충격이나 높은 온도에 노출되어도 쉽게 타거나 폭발 가능성이 작습니다.

또 분리막을 사용하지 않아도 됩니다. 액체 전해질을 사용하는 배터리는 양극과 음극을 분리하는 분리막이 필요한데, 이 분리막이 손상될 때 단락이 발생, 화재로 이어질 가능성이 높았습니다. 하지만 고체 전해질은 자체적으로 양극과 음극을 분리하는 역할을 하므로 별도의 분리막이 필요 없어 안전성을 더욱 높입니다.

그뿐만 아니라, 동일한 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 스마트폰은 더 오래 사용하고, 전기차는 한 번 충전으로 더 멀리 주행할 수 있습니다. 또한, 기존 배터리보다 충전도 훨씬 빠르게 가능하며, 수명 또한 길어 배터리를 자주 교체할 필요도 없습니다.

여러 전기차 설문 조사에서 충·방전 시간, 안전성은 전기차 구매를 망설이는 주된 이유로 꼽혔던 만큼, 전고체 배터리는 전기차 시장에 '게임 체인저'가 될 만한 기술임은 분명해 보입니다.

하지만 첫 등장부터 전고체 배터리가 시장 판도를 뒤흔들지는 못할 것이라는 전망이 주를 이룹니다. 가격이 비싸 전고체 배터리로 전환하는 전기차 대수가 그리 많지는 않을 것이라는 이유입니다.

전고체 원료인 고체 전해질은 종류에 따라 무기계, 폴리머계, 유무기 하이브리드계로 나뉩니다. 가장 양산 가능성이 높은 곳은 무기계 고체 전해질인데요. 이 무기계 전해질은 물질을 구성하는 음이온 종류에 따라 황화물계, 산화물계, 할라이드계 소재로 구분됩니다. 이중 오는 2026년 양산은 '할라이드계'가 유력합니다.

중국은 올해 1월 21일 베이징의 칭화대학에서 '중국 전고체 전지 산학연 협력 혁신 플랫폼(China All-Solid-State Battery Collaborative Innovation Platform : CASIP)'을 설립하고 개발체제를 정돈, '할라이드계'를 연구개발의 최전선으로 둘 정도로 진심을 다하고 있습니다. 할라이드계로 양산하겠다는 것이죠.

문제는 할라이드계 소재는 매우 희소성이 높다는 것입니다. 할라이드계에 사용되는 할로겐 원소(플루오린, 염소, 브롬, 요오드) 중 일부는 지각 내 존재량이 적습니다. 특히, 고순도의 할로겐 원료를 확보하는 데엔 비용이 많이 소요 든다고 합니다. 할라이드계 전고체 배터리가 나온다고 하더라도 가격이 비싼 건 분명하다는 것이지요.

다행인 것은 배터리 산⋅학계가 '황화물계 전고체' 양산을 위해 열심히 노력하고 있다는 겁니다. 황은 지각 내 존재량이 풍부한 원소이며, 황화물 광물도 다양하게 존재합니다. 따라서 황화물계 소재의 원료 확보는 상대적으로 용이하고 비용이 저렴합니다.

황화물계가 먼저 양산되지 못하는 것은 소재는 풍부하나 기술 장벽은 그만큼 높기 때문입니다. 황화물은 공기 중 수분과 반응하여 황화수소 가스를 발생시키므로, 제조 및 사용 과정에서 엄격한 건식 환경을 유지해야 합니다. 고온 환정에서 황화물은 분해될 수 있으며, 이는 배터리 성능 저하 및 안전 문제로 이어질 수 있다는 단점도 있습니다.

업계에서는 2030년쯤에는 황화물계 전고체가 양산되기 시작할 것으로 전망하고 있습니다. 값싼 원료를 활용한 데다 안전성, 성능까지 대폭 올린 '황화물계' 전고체가 등장한다면, 전기차 업계에 커다란 지각 변동이 있을 수밖에 없겠죠? 이 때문에 한국 배터리 3사(LG에너지솔루션⋅삼성SDI⋅SK온)을 비롯해 미국의 솔리드파워(Solid Power), 중국의 CATL이 모두 황화물계 전고체 배터리 개발에 열을 올리고 있습니다. 어떤 기업이 먼저 성능이 검증된 황화물계 전고체 배터리를 내놓을지는 지켜봐야 할 듯싶습니다.