전고체 배터리의 종류와 구조 특징 및 장단점 양산 시점 개발 현황 자동차 적용 사례

전고체 배터리: 미래 자동차 배터리의 핵심 기술

전기차 시장이 급성장하면서 배터리 기술도 빠르게 발전하고 있다. 특히 전고체 배터리(Solid-State Battery, SSB) 는 기존 리튬이온 배터리의 한계를 극복할 차세대 기술로 주목받고 있다. 이번 글에서는 전고체 배터리의 종류와 구조, 특징 및 장단점, 양산 시점, 개발 현황, 자동차 적용 사례 등을 살펴보겠다.


1. 전고체 배터리란?

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에서 사용하는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리다. 이로 인해 안전성 향상, 에너지 밀도 증가, 충전 속도 개선 등의 장점을 가진다.

전고체 배터리와 기존 리튬이온 배터리를 비교하면 여러 차이점이 있다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 폭발 위험이 낮고 안전성이 높다. 또한 에너지 밀도가 높아 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있으며, 충전 속도도 빠르다. 반면, 기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하여 열폭주로 인한 화재 위험이 존재한다. 에너지 밀도와 충전 속도가 상대적으로 낮으며, 배터리 수명도 전고체 배터리에 비해 짧다.


2. 전고체 배터리의 종류 및 구조

전고체 배터리는 사용되는 고체 전해질의 종류에 따라 크게 세 가지로 나뉜다.

첫 번째는 황화물계 전고체 배터리다. 이 배터리는 높은 이온 전도성을 가지고 있어 충전 속도가 빠르다는 특징이 있다. 또한 기존 리튬이온 배터리와 유사한 제조 공정을 사용할 수 있어 산업적으로 유리하다. 하지만 공기와 접촉하면 유독가스를 발생시키는 단점이 있다. 현재 토요타, 삼성SDI, CATL 등 여러 기업이 황화물계 전고체 배터리를 개발 중이다.

두 번째는 산화물계 전고체 배터리다. 이 배터리는 화학적 안정성이 뛰어나 안전성이 우수하며, 긴 수명을 가진다. 특히 고온에서도 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다. 하지만 이온 전도성이 낮아 출력 성능이 떨어지는 단점이 있다. 주요 개발 기업으로는 파나소닉과 혼다가 있다.

세 번째는 고분자계 전고체 배터리다. 이 배터리는 유연한 구조를 가지고 있어 다양한 응용이 가능하다. 또한 제조 공정이 비교적 쉬운 편이다. 그러나 낮은 이온 전도성으로 인해 높은 온도에서만 작동할 수 있는 단점이 있다. 현재 BMW와 다이슨 등이 고분자계 전고체 배터리를 연구하고 있다.


3. 전고체 배터리의 장점과 단점

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있다. 우선 안전성이 뛰어나다. 액체 전해질이 없기 때문에 화재나 폭발 위험이 낮다. 또한 에너지 밀도가 높아 한 번 충전으로 더 먼 거리를 주행할 수 있다. 충전 속도도 빠르며, 충방전 사이클이 길어 수명도 길다.

하지만 전고체 배터리에도 해결해야 할 과제가 있다. 가장 큰 문제는 제조 비용이 높다는 점이다. 고체 전해질 소재가 고가이며, 제조 공정이 복잡하다. 또한 생산 기술이 아직 완벽하지 않다. 대량 양산 기술이 개발되지 않았기 때문에 상용화까지 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 일부 전고체 배터리는 특정 온도에서만 작동 가능하기 때문에 온도에 대한 민감성을 해결해야 한다.

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4. 전고체 배터리 양산 시점 및 개발 현황

현재 주요 자동차 및 배터리 제조사들은 2030년 전후로 전고체 배터리를 상용화하는 것을 목표로 개발을 진행 중이다.

토요타는 2027년에서 2028년 사이에 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 출시할 계획이다. 2023년 공개한 시제품에서는 한 번 충전으로 1,200km 주행이 가능한 성능을 보였으며, 10분 만에 80% 충전이 가능하다고 발표했다.

폭스바겐은 미국의 배터리 스타트업 퀀텀스케이프(QuantumScape) 와 협력하여 2025년에서 2026년 사이에 전고체 배터리를 양산할 계획이다. 이 배터리는 10분 내 80% 충전 가능한 기술을 가지고 있어 기존 전기차 충전 시간을 획기적으로 줄일 것으로 기대된다.

삼성SDI는 2027년 이후 황화물계 전고체 배터리 양산을 목표로 개발을 진행 중이며, LG에너지솔루션은 2030년까지 자체적인 전고체 배터리 기술을 확보할 계획이다. 또한 CATL은 2027년을 목표로 고성능 전고체 배터리를 연구하고 있다.


5. 전고체 배터리 적용 사례

전고체 배터리는 아직 상용화되지 않았지만, 일부 자동차 제조사들은 적극적으로 연구 및 개발을 진행하고 있다.

토요타는 2027년에서 2028년 사이에 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 출시할 계획이며, 이를 통해 한 번 충전으로 1,200km를 주행할 수 있는 기술을 선보일 예정이다.

BMW는 iX Flow 모델을 기반으로 전고체 배터리를 테스트하고 있다. 특히 고온에서 작동 가능한 고분자계 전고체 배터리를 적용하여 차세대 전기차 시장을 준비하고 있다.

폭스바겐은 퀀텀스케이프와 협력하여 2025년에서 2026년 사이 전고체 배터리를 양산할 예정이며, 이를 통해 충전 시간을 10분 이내로 줄이는 기술을 개발하고 있다.


6. 결론 및 전망

전고체 배터리는 안전성, 에너지 밀도, 충전 속도, 수명 등에서 기존 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 혁신적인 기술이다. 하지만 제조 비용과 양산 기술이 아직 해결해야 할 과제다.

향후 2027년에서 2030년 사이 전고체 배터리 상용화가 본격화되면, 전기차 시장에 큰 변화가 올 것으로 예상된다. 토요타, 폭스바겐, 삼성SDI, LG에너지솔루션 등의 주요 기업들이 앞다퉈 개발에 나서고 있는 만큼, 전고체 배터리가 전기차 시장의 표준이 될 날도 머지않았다.