안전하고 효율적인 에너지 저장 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라 새로운 배터리 기술이 빠르게 등장하고 있습니다. 전고체 배터리(solid-state batteries, SSB)는 기존 리튬 이온 배터리(LIB)의 여러 한계를 극복할 잠재력을 지닌 에너지 저장 기술의 중요한 진보로 평가됩니다. 전고체 배터리는 가연성 액체 또는 젤 전해질을 세라믹, 폴리머, 황화물과 같은 고체 소재로 대체함으로써 안전성을 높이고, 열적 안정성을 강화하며, 기존 시스템의 약 250 Wh/kg에 비해 최대 500 Wh/kg에 이르는 훨씬 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 고체 전해질의 적용은 리튬 금속 음극과 고용량 양극의 사용을 가능하게 할 뿐만 아니라, 액체 전해질 기반 배터리에서 문제로 지적돼 온 높은 가연성, 덴드라이트 형성, 고전압에서의 전해질 분해, 누출 위험을 완화합니다.
또한 전고체 배터리는 일반적인 리튬 이온 배터리의 약 500회 충전 사이클과 비교해 1,000회 이상의 사이클 수명을 제공할 수 있어 더 긴 사용 수명을 기대할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리보다 설치 면적이 작고 보다 컴팩트한 설계 가능성 덕분에 전기차(EV), 웨어러블 전자 기기, 심박 조율기와 같은 의료 기기, 항공우주 등의 응용 분야에 사용하기에 이상적입니다.
CAS는 세계 최대 규모의 인간 큐레이션 기반 과학 정보 저장소인 CAS Content CollectionTM을 분석해 전고체 배터리 연구 환경을 살펴보았으며, 그 결과 초기 단계 연구에서 보다 폭넓은 과학적·상업적 관심으로의 뚜렷한 전환이 나타나고 있음을 확인했습니다(그림 1 참조).
그림 1: 전고체 배터리 분야의 출판 동향. 2025년 데이터는 7월까지의 자료를 포함함. 출처: CAS Content Collection
2000년대 초반에는 관련 활동이 거의 없어, 전고체 배터리가 주로 기초 연구 단계에 머물러 있었음을 보여줍니다. 그러나 2017년 전후로 학술 논문과 특허 출원이 급격히 증가했으며, 이는 기술 성숙도와 시장 수요의 확대, 그리고 전고체 배터리가 기존 리튬이온 배터리의 주요 한계를 해결할 수 있는 솔루션으로 인식되기 시작했음을 반영합니다.
현재 특허 출원 건수가 이전보다 다소 증가한 모습은 기업들이 지식재산권 확보에 나서며 해당 분야가 학문적 연구 단계를 넘어 상용화 준비 단계로 이동하고 있음을 시사합니다. 최근 몇 년간 특허 출원이 급증한 배경에는 전기차(EV) 확산, 재생에너지의 계통 단위 저장 수요 증가, 그리고 보다 안전하고 고성능의 에너지 저장 솔루션에 대한 요구가 있습니다. 이러한 흐름은 전고체 배터리가 연구와 투자가 집중되는 중요한 전환점에 도달했음을 보여주며, 이는 대개 기술적 돌파구와 광범위한 도입을 앞두고 나타나는 징후로 해석됩니다.
글로벌 배터리 혁신을 주도하는 아시아
전고체 배터리 분야의 상용화 노력을 평가하기 위해, 특허 출원 활동을 기준으로 상위 15개 기업을 분석했습니다(그림 2a). Toyota와 Panasonic과 같은 일본 기업들은 방대한 특허 포트폴리오를 보유하고 있으며, 이는 일본이 전고체 배터리 기술에 대해 조기에 전략적 투자를 진행해 왔고 자동차 산업과의 연계가 강하다는 점을 보여줍니다. 여기에 LG화학, 삼성SDI, CATL 등 다른 주요 아시아 기업들이 포함되면서, 아시아가 글로벌 배터리 혁신을 주도하고 있다는 점이 더욱 분명해집니다(그림 2a 참조).
국가별 상용 특허 출원 동향을 살펴보면 전고체 배터리 분야에서 혁신의 중심이 어떻게 이동하고 있는지도 확인할 수 있습니다(그림 2b). 일본은 지속적인 투자와 장기 연구를 통해 안정적인 선두 지위를 유지해 왔으며, 최근 몇 년간 중국의 급격한 부상은 주목할 만한 변화로 나타납니다. 이러한 증가는 기존 대기업뿐 아니라, 적극적으로 특허를 출원하는 신규 진입 기업들의 등장에 의해 가속화되고 있습니다.
반면, 자동차 및 기술 산업 기반이 탄탄한 미국과 독일은 상대적으로 특허 활동이 낮은 수준을 보이는데, 이는 전고체 배터리 분야에서의 전략적 우선순위 차이 또는 지식재산권 보호에 대한 다른 접근 방식을 시사합니다.
그림 2a: 전고체 배터리 관련 특허 출원 건수를 기준으로 식별한 주요 상용 기업. 삽입된 원형 차트는 국가/지역별 상용 특허 출원 규모를 보여줍니다.
그림 2b: 주요 국가/지역의 상용 특허 출원 연도별 추이
고체 전해질의 장점
전고체 전해질(solid-state electrolytes, SSE)은 전고체 배터리(SSB)의 핵심 구성 요소로, 기존의 액체 전해질을 대체하는 이온 전도성 고체 역할을 합니다. 전고체 전해질은 배터리의 전극 사이에서 리튬 이온 또는 기타 금속 이온의 이동을 가능하게 하면서, 전극을 물리적으로 분리해 이온 전도성과 전기적 절연을 동시에 확보합니다.
고체 전해질의 주목할 만한 특성 중 하나는 결정학적 위치에 따라 이온 수송을 촉진하는 능력으로, 이 과정에서 이동성 이온은 고체 매트릭스 내부에서 유체상과 유사한 움직임을 보일 수 있습니다. 이러한 구조적 특성은 높은 이온 이동성을 뒷받침하며, 이는 효율적인 배터리 성능에 필수적입니다. 또한 전고체 전해질은 불연성, 비휘발성, 우수한 기계적 강도, 극한 온도 환경에서의 높은 안정성 등 액체 전해질 시스템 대비 여러 가지 중요한 장점을 제공합니다. 이러한 특성은 안전성과 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 리튬 금속 음극의 사용을 가능하게 하여 에너지 밀도와 배터리 수명을 크게 높이는 데 기여합니다.
전고체 전해질은 화학적 조성에 따라 크게 다섯 가지 유형, 즉 산화물, 황화물, 고분자, 질화물, 할로겐화물로 구분할 수 있습니다 각 유형은 고유한 구조적·전기화학적 특성을 지니며, 이는 전해질 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 최근 몇 년간 유기 및 무기 전고체 전해질 모두에 대한 연구가 활발히 진행되면서, 이온 전도도, 안정성, 전극과의 호환성 측면에서 의미 있는 개선이 이루어졌습니다.
CAS SciFinder®를 포함한 도구를 활용해 CAS Content Collection을 분석한 결과, 유형별(그림 3a) 및 연도별(그림 3b)로 분류된 상위 20개 전고체 전해질을 확인할 수 있었습니다. 이 가운데 산화물과 황화물을 중심으로 한 무기 전해질은 우수한 이온 전도도, 향상된 안전성, 긴 사이클 수명, 뛰어난 열적 안정성을 바탕으로 출판 동향에서 선두를 차지하고 있습니다.
그림 3a: 출판량 기준 유형별로 분류한 상위 20개 전고체 전해질. 출처: CAS Content Collection. 약어는 각주 참조.
그림 3b: 출판량 기준 연도별로 분류한 상위 10개 전고체 전해질. 출처: CAS Content Collection. 약어는 각주 참조.
산화물 기반 전고체 전해질
산화물 기반 전고체 전해질(oxide-based solid-state electrolytes, SSE)은 뛰어난 화학적·열적·전기화학적 안정성으로 인해 차세대 전고체 배터리를 위한 핵심 소재로 폭넓게 연구되고 있습니다. 이들 전해질은 공기와 수분에 안정적이어서 취급과 공정이 비교적 용이하며, 분해 없이 높은 작동 전압과 온도를 견딜 수 있습니다.
그림 3에 나타난 바와 같이, 대표적인 산화물 기반 전고체 전해질로는 리튬 란타넘 지르코늄 산화물인 가닛 구조(LLZO), 리튬 알루미늄 타이타늄 인산염인 NASICON 구조(LATP), 그리고 리튬 란타넘 타이타늄 산화물인 페로브스카이트 구조(LLTO)가 있습니다. 이들 전해질은 일반적으로 10⁻⁴에서 10⁻³ S/cm 이상에 이르는 높은 이온 전도도와 우수한 기계적 특성을 제공합니다. LLZO는 넓은 전기화학적 안정성 창과 리튬 금속과의 우수한 호환성을 제공하는 반면, LATP는 무독성이고 비용 효율적이며 하이브리드 시스템에 적합합니다. LLTO는 높은 전도도와 강한 기계적 강도를 제공하지만, 성능은 세라믹 미세구조에 크게 의존합니다.
이러한 장점에도 불구하고, 산화물 기반 전해질에는 몇 가지 한계가 존재합니다. 취성이 강하고 구조적으로 단단해 가공이 어렵고, 전극과의 밀접한 접촉을 확보하기가 쉽지 않아 계면 저항이 증가하고 이온 전달 효율이 저하되는 경우가 많습니다. 또한 충·방전 사이클 동안 발생하는 기계적 응력이나 부피 변화로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다. 여기에 더해, 상온에서의 이온 전도도는 일반적으로 황화물 기반 전해질보다 낮은 편입니다.
LLZO 기술은 수분 민감성과 리튬 덴드라이트 형성 문제를 겪을 수 있으며, LATP와 LLTO는 Ti⁴⁺ 환원으로 인해 리튬 금속과 직접 접촉할 경우 안정성이 저하됩니다. 이러한 문제는 단락을 유발할 수 있으나, 계면 엔지니어링이나 보호 코팅을 통해 완화할 수 있습니다. 전반적으로 산화물 전해질은 탁월한 안정성, 안전성, 그리고 고전압 양극과의 호환성을 바탕으로, 내구성과 열적 안정성이 요구되는 전고체 리튬 배터리 시스템의 유력한 후보로 평가됩니다.
황화물 기반 전고체 전해질
황화물 기반 전고체 전해질은 최대 10⁻² S/cm에 달하는 매우 높은 이온 전도도를 보이며, 이는 액체 전해질과 유사하거나 그 이상 수준에 해당합니다. 이러한 특성으로 인해 차세대 전고체 배터리를 위한 가장 유망한 소재 중 하나로 평가되고 있습니다. 이들 전해질은 PS₄³⁻와 같은 황 기반 음이온을 포함하는 구조를 가지며, 높은 분극성과 유연성을 지닌 격자를 형성해 리튬 이온의 빠른 이동을 가능하게 합니다.
황화물 전해질의 또 다른 주요 장점은 부드럽고 변형이 가능한 물성을 지닌다는 점입니다. 이로 인해 비교적 낮은 압력에서도 양극과 음극 모두와 우수한 계면 접촉을 형성할 수 있으며, 이는 취성이 강한 산화물 기반 전해질로는 구현하기 어려운 특성입니다. 또한 저온 공정이 가능해 대규모 제조에 유리합니다.
그림 3a에서 확인할 수 있듯이, 황화물 기반 전해질 가운데에서는 아지로다이트(argyrodite), 리튬-인-황(Li-P-S) 계열, 그리고 리튬 게르마늄 인 황화물(LGPS)이 전고체 배터리를 위한 주요 후보로 주목받고 있습니다. 아지로다이트(Li₆PS₅X, X = Cl, Br, I)와 Li-P-S 계열 전해질(Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁ 등)은 10⁻⁴에서 10⁻³ S/cm 이상의 이온 전도도를 나타내며, 티오-리시콘 계열 물질인 LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂ 등)는 최대 10⁻² S/cm에 이르는 전도도를 보여 액체 전해질과 견줄 수 있는 수준에 도달했습니다.
이러한 장점에도 불구하고, 황화물 기반 전해질에는 중요한 과제가 존재합니다. 공기와 수분에 매우 민감해 분해 시 독성 황화수소(H₂S) 가스를 방출하며, 이로 인해 취급과 공정이 복잡해집니다. 전기화학적 안정성 범위가 좁아 고전압 양극이나 리튬 금속 음극과의 반응이 발생할 수 있으며, 이는 저항성 계면층 형성과 함께 장기 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 도핑, 표면 코팅, 복합 소재 설계와 같은 기술적 개선이 지속되면서, 황화물 기반 전고체 전해질은 고성능·고안전·고에너지 밀도의 전고체 리튬 배터리를 구현하기 위한 연구의 최전선에 여전히 위치하고 있습니다.
고분자 기반 전고체 전해질
고분자 기반 전고체 전해질은 무기 전해질이 갖기 어려운 유연성, 가공성, 안전성이라는 독특한 조합을 제공하기 때문에 전고체 배터리에 활용됩니다. 취성이 강한 산화물 전해질과 달리, 고분자 전해질은 부드럽고 변형이 가능해 전극과의 밀접한 계면 접촉을 형성할 수 있습니다. 또한 얇고 가벼우며 유연한 배터리 설계를 가능하게 하여 웨어러블 및 휴대용 전자 제품에 이상적입니다.
고분자 기반 전고체 전해질 가운데에서는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 헥사플루오로프로필렌-폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF-HFP), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)가 주요 소재로 연구되고 있습니다. 다만 이들 전해질은 일반적으로 무기 전해질에 비해 이온 전도도가 낮으며, 특히 상온에서 그 차이가 두드러집니다. 또한 고전압 조건에서는 전기화학적 안정성이 제한될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 뛰어난 유연성, 계면 호환성, 확장성으로 인해 고분자 기반 전해질은 전고체 및 플렉서블 리튬 배터리 응용 분야에서 실용적이고 매력적인 선택지로 평가됩니다.
질화물 및 할로겐화물 기반 전고체 전해질
질화물 및 할로겐화물 기반 전해질은 높은 이온 전도도와 우수한 전기화학적 안정성을 바탕으로, 고성능 전고체 리튬 이온 배터리를 위한 신흥 소재군으로 연구되고 있습니다. 그림 3b에 나타난 출판 동향을 기준으로 보면, 질화물 계열에서는 질화리튬(Li₃N), 할로겐화물 계열에서는 LiXO(X = Cl, Br, I)가 상위 20개 전고체 전해질에 포함된 유일한 소재로 확인됩니다.
Li₃N은 Li⁺ 이동을 위한 연속적인 경로를 제공하는 개방형 결정 구조를 지니고 있어, 상온에서 최대 10⁻³ S/cm에 이르는 매우 빠른 리튬 이온 수송 특성을 보입니다. 또한 열적 안정성이 높고 리튬 금속 음극과의 호환성도 우수합니다. 한편 LiXO는 계면 접촉과 기계적 유연성을 개선하기 위해 다른 고체 전해질이나 고분자와 함께 조합되어 사용되는 경우가 일반적입니다.
이들 소재 역시 한계를 안고 있습니다. 질화물 및 할로겐화물 기반 전고체 전해질은 공기와 수분에 매우 반응성이 높아 암모니아나 염화수소(HCl)와 같은 독성 및 부식성 부산물을 생성할 수 있으며, 이로 인해 취급과 공정이 까다로워집니다. 이러한 제약에도 불구하고, 질화물 및 할로겐화물 전해질은 특히 복합 전해질 시스템에 적용될 경우 고에너지 밀도와 우수한 열적 내구성을 갖춘 전고체 리튬 배터리를 구현하기 위한 유망한 방안으로 여전히 주목받고 있습니다.
선도적인 전고체 전해질 기술로 부상하는 아지로다이트
상위 10개 전고체 전해질 소재를 대상으로 출판 동향을 추가로 분석한 결과, 최근 몇 년 사이 연구 초점이 뚜렷하게 이동하고 있음을 확인할 수 있었습니다(그림 3b 참조). 리튬 금속에 대한 우수한 안정성과 넓은 전기화학적 안정성 범위로 인해, 가닛 구조의 LLZO 전해질은 최근까지 연구 커뮤니티의 지속적인 관심을 받으며 해당 분야를 주도해 왔습니다. 그러나 2021년을 기점으로 큰 변화가 나타났습니다. 황화물 기반 아지로다이트 전해질에 대한 연구 관심이 급격히 증가하면서, 2024년에는 LLZO를 넘어 가장 활발히 연구된 고체 전해질 시스템으로 자리 잡았습니다.
이러한 아지로다이트의 빠른 부상은 연구자들에게 점차 분명해진 몇 가지 근본적인 장점을 반영합니다. LLZO가 세라믹 특성으로 인해 매우 높은 소결 온도를 요구하고 계면 접촉 문제를 겪는 반면, 아지로다이트는 기계적 연성을 지녀 단순한 냉간 압축만으로도 전극 소재와 밀접한 접촉을 형성할 수 있습니다. 또한 황화물 기반 구조는 상온에서 산화물 기반 시스템을 크게 상회하는 이온 전도도를 제공하여 전고체 배터리 상용화의 주요 병목 요인 중 하나를 해결합니다.
여기에 더해, 아지로다이트는 기존 배터리 제조 인프라와의 공정 적합성이 높아 산업 규모 적용에도 매력적인 특성을 보입니다. 비교적 온화한 온도 조건에서 가공할 수 있으며, 용액 기반 공정도 가능하기 때문입니다. 한편, LATP와 고분자 기반 고체 전해질과 같은 다른 고체 전해질 시스템 역시 꾸준하지만 비교적 소규모의 연구 관심을 받고 있습니다. 이는 이러한 소재들이 여전히 관련이 있는 연구 대상임을 보여주는 동시에, 현재 전고체 배터리 분야에서는 아지로다이트가 실용적 구현에 가장 근접한 단기적 해법으로 인식되고 있음을 시사합니다.
전고체 소재의 주요 조합
출판 동향 분석을 통해 다양한 전고체 배터리(SSB) 유형과 각 배터리 시스템에 연계된 주요 전고체 전해질(SSE)을 함께 살펴보았습니다(그림 4 참조). 이 가운데 리튬 이온 배터리(LIB)가 가장 많은 문헌 비중을 차지하며 전고체 배터리 전체 연구 활동의 약 80%를 차지하고 있습니다. 학술지 논문과 특허 패밀리의 비중이 거의 비슷하게 나타난다는 점은, 해당 분야가 기초 연구 단계를 넘어 상용화로 전환되고 있는 비교적 성숙한 단계에 접어들었음을 보여줍니다.
그림 4: 배터리 화학 조성별 전고체 배터리 연구 분포와 이에 연계된 전고체 전해질. 각 원형 차트는 해당 배터리 유형에서 학술지(J)와 특허(P) 출판물의 비중을 나타냅니다. 히트맵 표는 각 전고체 배터리 시스템과 가장 많이 연계된 전고체 전해질을 보여줍니다. 출처: CAS Content Collection. 약어는 각주 참조.
리튬 시스템에서 주목받는 전고체 전해질은 다양한 양상을 보입니다. 산화물 기반 전해질인 LLZO와 LATP가 가장 높은 관심을 받고 있으며, 그 뒤를 고분자 전해질(PAN), 황화물 기반 아지로다이트, 그리고 Li-P-S 계열 전해질이 잇고 있습니다. 이러한 분포는 전고체 배터리 분야가 아직 단일한 표준 기술로 수렴하지 않았으며, 적용 요구 사항에 따라 서로 다른 전고체 전해질이 병행 연구되고 있음을 시사합니다.
나트륨 이온 전고체 배터리는 문헌 수 기준으로 두 번째를 차지하지만, 여전히 리튬 시스템과는 상당한 격차가 있습니다. 특허 대비 학술 논문 비중이 다소 높은 점은, 이 분야가 아직 상용화보다는 연구 중심 단계에 머물러 있음을 보여줍니다. 나트륨 시스템에서의 전해질 선택은 리튬과는 다른 양상을 보이며, NaZPSi(나트륨 초이온 전도체)가 가장 두드러지고, PAN과 PMMA 같은 고분자 전해질도 중요한 위치를 차지합니다. 한편 LATP와 LLZO처럼 리튬 중심으로 연구되던 일부 전해질도 함께 등장하는데, 이는 시스템 간 호환 가능성을 탐색하려는 연구가 진행되고 있음을 시사합니다.
아연 이온 배터리는 세 번째로 중요한 축을 이루며, 특허보다 학술 논문의 비중이 훨씬 높은 특징을 보입니다. 이러한 분포는 아연 전고체 배터리가 아직 기초 연구 단계에 있으며, 상용 개발에 앞서 시스템 이해와 성능 최적화가 진행 중임을 보여줍니다. 아연 배터리의 전고체 전해질은 PAN, PEO, PMMA와 같은 고분자 전해질이 주를 이루는데, 이는 아연이 수성 및 준고체 시스템과의 호환성이 높다는 점과도 부합합니다.
마그네슘 및 칼륨과 같은 신흥 배터리 화학은 전체 문헌 수는 적지만, 연구와 특허 활동이 비교적 균형을 이루고 있어 초기 단계이면서도 잠재력을 지닌 개발 흐름을 보여줍니다. 이러한 시스템은 연구자들이 리튬을 넘어 다변화를 모색하는 과정에서 미래의 대안이 될 수 있으며, 특히 고유한 특성이 장점으로 작용하는 특정 응용 분야에서 그 가능성이 두드러질 수 있습니다.
그림 4에 제시된 전해질별 히트맵 강도를 살펴보면 일부 전해질은 여러 배터리 유형에 걸쳐 활용 가능성을 보이는 반면, 다른 전해질은 특정 화학 조성에 한정되는 경향을 나타냅니다. 이는 각 배터리 시스템의 고유한 요구 사항에 맞춘 전고체 전해질의 맞춤형 개발이 중요하다는 점을 분명히 보여줍니다.
특허 동향으로 본 전고체 배터리의 유망 응용 분야
전고체 배터리(SSB)의 응용 분야별 출판량을 분석한 결과, 연구 초점과 상용화 성숙도에서 뚜렷한 차이가 나타났습니다(그림 5 참조).
그림 5: 전고체 배터리 응용 분야별 학술지 논문 및 특허 수. 출처: CAS Content Collection.
전자 제품과 차량 분야는 전체 응용 연구의 약 75%를 차지하며, 전고체 배터리 응용을 주도하고 있습니다. 다만 두 분야의 발전 양상에는 분명한 차이가 존재합니다. 전자 제품 분야에서는 학술 논문과 특허 간의 격차가 뚜렷하게 나타나며, 이는 소비자 전자 제품에 전고체 배터리를 적용하는 과정에서 여전히 기초적인 연구 과제가 남아 있음을 시사합니다. 이러한 과제는 소형화, 비용, 제조 공정의 복잡성과 관련될 수 있습니다. 반면 차량 분야에서는 논문과 특허의 비중이 거의 유사하게 나타납니다. 이는 전기차(EV) 확산과 함께 보다 안전하고 에너지 밀도가 높은 배터리에 대한 시급한 수요에 힘입어, 해당 분야가 실험실 단계를 넘어 시장으로 이동하고 있는 비교적 성숙한 단계에 접어들었음을 보여줍니다.
신흥 응용 분야 역시 잠재력을 보이고 있으나, 전반적으로는 연구 중심 단계에 머물러 있습니다. 바이오의학 응용 분야는 학술적 관심은 높은 반면 특허 활동은 제한적이며, 이는 상용화보다는 기본적인 적용 가능성을 탐색하는 연구가 주를 이루고 있음을 시사합니다. 이러한 경향은 의료기기 분야 특유의 엄격한 규제 요건과 생체적합성 문제와도 연관될 수 있습니다.
웨어러블 분야에서는 연구와 특허 간 격차가 더욱 크게 나타나는데, 이는 유연하고 안전한 전고체 배터리를 웨어러블 기술에 적용하려는 개념은 학문적으로 주목받고 있으나 상용화에 이르기까지는 여전히 상당한 기술적 장벽이 남아 있음을 의미합니다.
항공우주 분야에서는 학술 논문과 특허가 거의 비슷한 비율로 분포합니다. 전체 문헌 수는 상대적으로 적지만, 이러한 균형은 차량 분야에서 관찰된 양상과 유사합니다. 이는 전고체 배터리가 불연성, 고고도 환경에서의 우수한 성능과 같은 기술적 이점을 제공함에 따라, 항공우주 응용을 중심으로 실질적인 상업적 참여가 이루어지고 있음을 시사합니다.
전고체 배터리의 과제와 기회
전고체 배터리(SSB)는 큰 잠재력을 지니고 있지만, 대규모 상용화를 가로막는 여러 과제도 함께 안고 있습니다. 주요 기술적 한계는 많은 고체 전해질이 상온에서 액체 전해질에 비해 상대적으로 낮은 이온 전도도를 보인다는 점입니다. LLZO와 같은 산화물 기반 전해질은 치밀한 미세구조를 형성하기 위해 높은 소결 온도를 필요로 하며, 이로 인해 공정이 복잡해지고 비용이 증가합니다. 반면 황화물 전해질은 높은 전도도를 제공하지만 공기와 수분에 민감해 불활성 환경에서의 공정이 요구됩니다.
또 다른 과제는 전극-전해질 계면에서의 불안정성입니다. 액체 전해질과 달리, 고체-고체 접촉은 계면 접촉이 불충분해지기 쉽고 저항이 증가하는 경향이 있습니다. 특히 리튬 금속과 접촉하는 계면에서는 화학 반응으로 저항성 층이 형성될 수 있으며, 이는 사이클이 반복될수록 악화되어 성능 저하로 이어집니다. 고체 전해질의 기계적 강성 또한 부피 변화에 따른 응력, 틈 발생, 박리 현상을 유발해 임피던스 증가와 성능 열화를 초래합니다.
리튬 덴드라이트 형성 역시 여전히 중요한 우려 사항입니다. 높은 전류 밀도 조건에서 리튬 필라멘트가 전고체 전해질의 미세 구조 결함을 따라 성장할 경우 단락이 발생할 수 있습니다. 이러한 소재를 가공하기 위해서는 고온·고압 조건, 정밀한 공정 제어, 그리고 특히 황화물의 경우 건조한 환경이 필요합니다. 이러한 소재 및 통합상의 과제에 더해, 재활용 문제와 아직 성숙하지 않은 공급망 역시 실험실 규모의 시제품을 산업 규모의 전고체 배터리로 전환하는 데 장애 요인으로 작용하고 있습니다.
그럼에도 불구하고, 전고체 배터리는 소재 설계, 계면 엔지니어링, 확장 가능한 공정 기술이 결합되면서 보다 안전하고, 에너지 밀도가 높으며, 수명이 긴 에너지 저장 기술로 진화하고 있습니다. 차세대 전고체 배터리는 세라믹의 높은 전도도와 고분자의 유연성을 결합한 하이브리드 및 복합 전해질을 특징으로 하며, 이를 통해 사이클링에서도 안정적인 계면과 기계적 무결성을 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 냉간 소결이나 일시적 액상 보조 공정과 같은 저온 제조 기술의 발전은 생산 효율을 높이고 대량 생산과의 호환성을 개선할 전망입니다.
최근 공개된 시제품들도 이러한 흐름을 보여줍니다. Chery는 에너지 밀도 600Wh/kg, 목표 주행거리 1,300km의 전고체 배터리 모듈을 공개했는데, 이는 기존 리튬 이온 배터리 대비 두 배를 넘는 수준입니다. 유사하게 Sunwoda는 초저압 조건에서 400Wh/kg의 에너지 밀도와 1,200회 사이클 수명을 갖는 고분자 전고체 배터리를 소개했습니다. 이를 통해 전기 자동차의 주행거리는 1,000km 이상, 사이클 수명은 1,200회 이상으로 확대될 수 있으며, 연간 20,000km 주행을 가정할 경우 10년 이상 사용할 수 있습니다.
한편 데이터 기반 접근 방식과 AI를 활용한 소재 탐색은 이 분야의 최적화와 품질 관리를 가속화하고 있습니다. 리튬을 넘어 나트륨, 아연, 마그네슘, 칼륨과 같은 다른 금속 이온 시스템으로 전고체 개념이 확장되면서, 지속 가능성과 자원 접근성 또한 확대되고 있습니다. 이러한 지속적인 발전과 하이브리드 접근 방식은 기존 배터리 기술과 새로운 전고체 옵션 간의 성능 격차를 점차 줄여 나가고 있습니다.
전면적인 상용화는 수년 후일 수 있지만, 과학적 진보와 산업적 역량의 결합은 향후 10년 내 전고체 배터리가 다양한 산업 전반에서 에너지 저장 방식을 재편할 가능성을 보여주고 있습니다.
사용된 약어: LLZO, 리튬 란타넘 지르코늄 산화물; LATP, 리튬 알루미늄 티타늄 인산염; LLTO, 리튬 란타넘 티타늄 산화물; LiPON, 리튬 인산화질화; LAGP, 리튬 알루미늄 게르마늄 인산염; NaZPSi, 나트륨 지르코늄 인산 규산염; GLiZnO, 게르마늄 리튬 아연 산화물; Li-P-S, 리튬-인-황; LGPS, 리튬 게르마늄 인 황화물; LSnPS, 리튬 주석 인 황화물; Na-P-S, 나트륨-인-황; PAN, 폴리아크릴로니트릴; PVDF-HFP, 헥사플루오로프로필렌-폴리(비닐리덴 플루오라이드); PMMA, 폴리메틸 메타크릴레이트; PEO, 폴리에틸렌 옥사이드; PC, 폴리카보네이트; PDMS, 폴리디메틸실록산
