Репост из: 시장 이야기 by 제이슨
Charging ahead 이코노미스트
꿈의 배터리: 전고체 배터리의 상용화 레이스
재료과학의 발전이 마침내 전고체 배터리를 시장에 출시할 수 있게 이끌고 있다.
수십 년간 스마트폰과 전기차 시장을 독점해 온 리튬 이온(Lithium-ion) 배터리가 이제 '이론적 한계'에 도달하고 있습니다. 최고 성능의 모델조차 혹한의 추위 속에서 방전되거나 용량이 급격히 감소하고, 자발적 화재를 일으키는 취약점을 안고 있습니다. 반면 배터리 수요는 폭발적입니다. 2026년 한 해 판매 차량의 30%가 전기차가 될 전망이며, 전 세계 배터리 저장 장치 설치 규모도 급증하고 있습니다. 기존 리튬 이온 배터리를 대체할 강력한 도전자가 절실한 시점입니다.
마침내 재료과학의 혁신적 진보로 강력한 대안인 '전고체 배터리(Solid-state batteries)'가 부상하고 있습니다. 기존 배터리는 이온이 오가는 매개체로 인화성이 높은 액체 전해질을 사용하지만, 전고체 배터리는 음극, 양극, 전해질이 모두 단단한 '고체 판' 형태로 압착되어 있습니다. 액체가 없어 동일 공간에 전도성 물질을 빽빽하게 채울 수 있으므로, 에너지 밀도를 기존 리튬 이온(300Wh/kg)을 압도하는 최대 500Wh/kg까지 구현할 수 있으며 화재 위험도 극도로 낮습니다.
부러짐과 결정을 해결하기 위한 기술 혁신
그동안 전고체 배터리의 대형 상용화를 가로막은 가장 큰 걸림돌은 고체 소재 특유의 '부러지기 쉬운 성질(Brittleness, 취성)'이었습니다. 충·방전 시 배터리 셀이 미세하게 팽창·수축하면서 고체 부품 사이에 균열이 발생해 성능이 떨어졌기 때문입니다. 지난 1월, 중국과학원 심천선진기술연구원 연구진은 나노미터 두께의 얇은 세라믹 층과 고분자(폴리머) 시트를 샌드위치처럼 교대로 겹겹이 쌓아 올려 이 문제를 해결했습니다. 세라믹의 우수한 전도성과 폴리머의 유연성을 결합해 균열 발생 확률을 획기적으로 줄인 이상적인 전해질을 탄생시킨 것입니다.
또 다른 난제는 충·방전 시 전극 표면에 뾰족한 결정체가 자라나 합선을 일으키는 '덴드라이트(Dendrites)' 현상이었습니다. 그동안은 전극을 무조건 단단하게 만드는 것이 해결책으로 통했으나, 지난 3월 미국 MIT 연구진은 덴드라이트가 국소적인 화학 반응 때문에 성질이 약해진 부위에서 자란다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 향후 전극 설계가 물리적 경도가 아닌 '화학적 안정성'에 집중해야 함을 보여줍니다.
아울러 전송 속도를 높이는 연구도 성과를 내고 있습니다. 미국 오크리지 국립연구소 연구진은 폴리머 전해질에 화학 화합물인 '조이터이온(Zwitterions)'을 첨가하여, 이온이 전해질을 통과하는 속도를 기존보다 최대 100억 배까지 끌어올리는 데 성공했습니다.
리튬을 넘어 '소듐'과 '무음극'으로
고체 전해질은 값비싼 리튬 대신 지각 매장량이 1,000배나 풍부하고 저렴한 '소듐(Sodium, 나트륨)'을 핵심 원료로 쓸 수 있는 문을 열어줍니다. 소듐 원자는 리튬보다 크고 무거워 기존 액체 배터리 구조에서는 에너지 저장 용량이 떨어지는 한계가 있었습니다. 하지만 고체 전해질을 도입하면 화재 위험이 사라지므로 반응성이 강한 '순수 소듐 금속' 자체를 음극으로 직접 사용할 수 있게 되어, 리튬 이온을 능가하는 500Wh/kg의 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.
여기서 나아가 연구원들은 아예 음극 자체를 없애버린 '무음극(Anode-free) 전고체 소듐 배터리'를 실험 중입니다. 배터리를 충전할 때 양극에서 빠져나온 소듐 이온들이 집전체 표면에 쌓여 '스스로 음극을 생성'하는 원리입니다. 음극이 사라진 공간에 양극재를 더 채워 넣을 수 있어 저장 용량을 극대화할 수 있습니다.
제조 공정 혁신과 글로벌 상용화 레이스
미국 시카고 대학교의 셜리 멩 교수는 "이처럼 빠른 기술 발전은 완벽한 전고체 설계를 찾기 위한 글로벌 서바이벌 경쟁 덕분"이라고 설명합니다.
이 경쟁은 제조 공정까지 바꾸고 있습니다. 기존의 액체 배터리는 대형 수조에 전극을 담갔다 말리는 '습식 공정'을 쓰지만, 전고체 배터리는 말리는 과정에서 미세한 구멍이 생겨 오작동할 위험이 큽니다.
이에 따라 액체 용매 없이 마른 미세 분말을 강력한 압력으로 압착하는 '건식 전극 제조 공정(Dry electrode manufacturing)'이 대안으로 떠올랐습니다. 건식 공정은 제조 에너지를 50% 줄이고 비용은 20% 절감하며 성능도 향상시킵니다. 현재 테슬라와 한국의 LG에너지솔루션 등이 이 기술 선점에 사활을 걸고 있습니다.
글로벌 빅테크 기업들의 상용화 로드맵도 구체화되고 있습니다. 중국의 CATL은 2027년까지 전고체 배터리를 본격 양산하겠다고 선언했으며 당장 올해 소듐 이온 배터리를 탑재한 보급형 전기차를 출시할 계획입니다. 한국의 삼성SDI와 일본의 토요타 역시 2027년 대량 양산을 목표로 공약 이행에 전력을 다하고 있습니다. 미국의 포드 자동차는 독자적인 배터리 부문을 출범하고 내년까지 산업용 대형 전고체 에너지 저장 장치(ESS)를 인도할 계획입니다. 전 세계 배터리 업계에 그 어느 때보다 짜릿한 혁명의 전류가 흐르고 있습니다.
꿈의 배터리: 전고체 배터리의 상용화 레이스
재료과학의 발전이 마침내 전고체 배터리를 시장에 출시할 수 있게 이끌고 있다.
수십 년간 스마트폰과 전기차 시장을 독점해 온 리튬 이온(Lithium-ion) 배터리가 이제 '이론적 한계'에 도달하고 있습니다. 최고 성능의 모델조차 혹한의 추위 속에서 방전되거나 용량이 급격히 감소하고, 자발적 화재를 일으키는 취약점을 안고 있습니다. 반면 배터리 수요는 폭발적입니다. 2026년 한 해 판매 차량의 30%가 전기차가 될 전망이며, 전 세계 배터리 저장 장치 설치 규모도 급증하고 있습니다. 기존 리튬 이온 배터리를 대체할 강력한 도전자가 절실한 시점입니다.
마침내 재료과학의 혁신적 진보로 강력한 대안인 '전고체 배터리(Solid-state batteries)'가 부상하고 있습니다. 기존 배터리는 이온이 오가는 매개체로 인화성이 높은 액체 전해질을 사용하지만, 전고체 배터리는 음극, 양극, 전해질이 모두 단단한 '고체 판' 형태로 압착되어 있습니다. 액체가 없어 동일 공간에 전도성 물질을 빽빽하게 채울 수 있으므로, 에너지 밀도를 기존 리튬 이온(300Wh/kg)을 압도하는 최대 500Wh/kg까지 구현할 수 있으며 화재 위험도 극도로 낮습니다.
부러짐과 결정을 해결하기 위한 기술 혁신
그동안 전고체 배터리의 대형 상용화를 가로막은 가장 큰 걸림돌은 고체 소재 특유의 '부러지기 쉬운 성질(Brittleness, 취성)'이었습니다. 충·방전 시 배터리 셀이 미세하게 팽창·수축하면서 고체 부품 사이에 균열이 발생해 성능이 떨어졌기 때문입니다. 지난 1월, 중국과학원 심천선진기술연구원 연구진은 나노미터 두께의 얇은 세라믹 층과 고분자(폴리머) 시트를 샌드위치처럼 교대로 겹겹이 쌓아 올려 이 문제를 해결했습니다. 세라믹의 우수한 전도성과 폴리머의 유연성을 결합해 균열 발생 확률을 획기적으로 줄인 이상적인 전해질을 탄생시킨 것입니다.
또 다른 난제는 충·방전 시 전극 표면에 뾰족한 결정체가 자라나 합선을 일으키는 '덴드라이트(Dendrites)' 현상이었습니다. 그동안은 전극을 무조건 단단하게 만드는 것이 해결책으로 통했으나, 지난 3월 미국 MIT 연구진은 덴드라이트가 국소적인 화학 반응 때문에 성질이 약해진 부위에서 자란다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 향후 전극 설계가 물리적 경도가 아닌 '화학적 안정성'에 집중해야 함을 보여줍니다.
아울러 전송 속도를 높이는 연구도 성과를 내고 있습니다. 미국 오크리지 국립연구소 연구진은 폴리머 전해질에 화학 화합물인 '조이터이온(Zwitterions)'을 첨가하여, 이온이 전해질을 통과하는 속도를 기존보다 최대 100억 배까지 끌어올리는 데 성공했습니다.
리튬을 넘어 '소듐'과 '무음극'으로
고체 전해질은 값비싼 리튬 대신 지각 매장량이 1,000배나 풍부하고 저렴한 '소듐(Sodium, 나트륨)'을 핵심 원료로 쓸 수 있는 문을 열어줍니다. 소듐 원자는 리튬보다 크고 무거워 기존 액체 배터리 구조에서는 에너지 저장 용량이 떨어지는 한계가 있었습니다. 하지만 고체 전해질을 도입하면 화재 위험이 사라지므로 반응성이 강한 '순수 소듐 금속' 자체를 음극으로 직접 사용할 수 있게 되어, 리튬 이온을 능가하는 500Wh/kg의 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.
여기서 나아가 연구원들은 아예 음극 자체를 없애버린 '무음극(Anode-free) 전고체 소듐 배터리'를 실험 중입니다. 배터리를 충전할 때 양극에서 빠져나온 소듐 이온들이 집전체 표면에 쌓여 '스스로 음극을 생성'하는 원리입니다. 음극이 사라진 공간에 양극재를 더 채워 넣을 수 있어 저장 용량을 극대화할 수 있습니다.
제조 공정 혁신과 글로벌 상용화 레이스
미국 시카고 대학교의 셜리 멩 교수는 "이처럼 빠른 기술 발전은 완벽한 전고체 설계를 찾기 위한 글로벌 서바이벌 경쟁 덕분"이라고 설명합니다.
이 경쟁은 제조 공정까지 바꾸고 있습니다. 기존의 액체 배터리는 대형 수조에 전극을 담갔다 말리는 '습식 공정'을 쓰지만, 전고체 배터리는 말리는 과정에서 미세한 구멍이 생겨 오작동할 위험이 큽니다.
이에 따라 액체 용매 없이 마른 미세 분말을 강력한 압력으로 압착하는 '건식 전극 제조 공정(Dry electrode manufacturing)'이 대안으로 떠올랐습니다. 건식 공정은 제조 에너지를 50% 줄이고 비용은 20% 절감하며 성능도 향상시킵니다. 현재 테슬라와 한국의 LG에너지솔루션 등이 이 기술 선점에 사활을 걸고 있습니다.
글로벌 빅테크 기업들의 상용화 로드맵도 구체화되고 있습니다. 중국의 CATL은 2027년까지 전고체 배터리를 본격 양산하겠다고 선언했으며 당장 올해 소듐 이온 배터리를 탑재한 보급형 전기차를 출시할 계획입니다. 한국의 삼성SDI와 일본의 토요타 역시 2027년 대량 양산을 목표로 공약 이행에 전력을 다하고 있습니다. 미국의 포드 자동차는 독자적인 배터리 부문을 출범하고 내년까지 산업용 대형 전고체 에너지 저장 장치(ESS)를 인도할 계획입니다. 전 세계 배터리 업계에 그 어느 때보다 짜릿한 혁명의 전류가 흐르고 있습니다.