최근 배터리 시장은 빠르게 변화하고 있습니다. 이제는 단순히 성능이 더 좋은 배터리를 만드는 것을 넘어, 미래 기술 경쟁력을 선점하는 것이 산업의 주도권을 가르는 중요한 시점입니다. 이러한 흐름 속에서 주목받는 기술이 바로 ‘전고체전지(Solid-State Battery)’입니다. 오늘은 전고체전지가 왜 차세대 배터리로 주목받고 있는지, 그리고 LG화학이 어떤 기술 전략에 집중하고 있는지 함께 살펴보도록 하겠습니다.
배터리는 일반적으로 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성됩니다. 이 중 전해질은 이온이 이동하는 통로 역할을 하며, 배터리의 작동을 가능하게 하는 중요한 요소입니다.
현재 전기차와 스마트폰에 가장 널리 사용되는 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지입니다. 하지만 액체 전해질은 열과 충격에 취약하고 온도 변화에 민감한 특성을 가지고 있어, 안전성과 성능 측면에서 일정한 한계를 지녀왔는데요. 우리가 일상 속에서 마주할 수 있는 배터리 화재와 같은 안전 문제나, 겨울철 방전과 같은 저온 환경에서의 성능 저하 역시 이러한 특성에서 비롯되는 것이죠.
이러한 배경에서 시장에서는 보다 안전하면서도 오래 사용할 수 있고, 동시에 높은 성능을 갖춘 배터리에 대한 요구가 점차 커지고 있습니다. 그리고 이러한 흐름 속에서 전 세계가 주목하고 있는 기술이 바로 전고체전지(Solid-State Battery)입니다.
전고체전지는 이름 그대로 액체 전해질을 ‘고체’로 대체한 배터리입니다. 그렇다면 전해질이 고체로 바뀌면 어떤 점이 좋아질까요?
먼저, 불이 잘 붙지 않아 화재 위험이 줄어들어 안전성이 크게 향상됩니다. 또한 배터리 내부 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있어 에너지 밀도가 높아지고, 이는 전기차의 주행거리 확대에도 유리하게 작용합니다.
고체 특성상 열과 충격에 강해 배터리 수명도 길어질 수 있으며, 추운 겨울이나 뜨거운 여름 등 다양한 온도 환경에서도 비교적 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 더불어 액체 전해질이 필요하지 않아 배터리 설계를 단순화하고 소형화·경량화 측면에서도 이점을 가집니다.
전고체전지는 전해질의 재료에 따라 크게 세 가지로 구분됩니다. 이 가운데 LG화학은 고성능 배터리에 가장 적합한 ‘황화물계 전고체전지’ 개발에 집중하고 있습니다.
황화물계 전고체전지는 이온 전도도*가 높아 이온이 흐르기 쉬워 전기차처럼 많은 전력을 빠르게 쓰는 환경에 특히 적합합니다. 이에 LG화학은 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 High-Ni NCM 양극재*와 황화물계 고체 전해질을 조합한 전고체전지를 개발하고 있습니다.
* 이온 전도도 : 이온이 전해질 사이를 얼마나 잘 이동하는지 나타내는 척도
* High-Ni NCM 양극재 : 니켈·코발트·망간을 조합한 삼원계 양극재로 에너지 밀도에 기여하는 니켈 비중이 높아 주행거리와 출력이 우수
하지만 여기서 중요한 기술적 난제가 하나 생깁니다. 바로 NCM 양극재와 황화물계 고체 전해질 간의 높은 반응성입니다.
NCM 양극재와 황화물계 고체 전해질이 직접 맞닿으면 계면에서 불필요한 반응이 발생해 배터리 성능 저하와 수명 단축으로 이어질 수 있습니다. 이는 전고체전지 연구에서 가장 많이 언급되는 핵심 난제 중 하나로 꼽힙니다. LG화학은 이를 해결하기 위해 두 가지 차별화된 기술 개발에 집중하고 있습니다.
첫 번째, 계면 안정성을 높이는 ‘코팅 기술’
코팅 기술은 양극재 표면에 보호막(코팅층)을 형성하는 방식입니다. LG화학은 NCM 양극재와 황화물계 고체 전해질이 직접 닿지 않도록 차단하면서, 동시에 리튬이온은 원활하게 이동할 수 있도록 하는 코팅 기술을 개발했습니다. 코팅한 이 보호막은 접촉을 차단하는 기능뿐 아니라, 코팅 균일도와 이온전도성을 모두 만족해야 하기 때문에 높은 기술적 완성도가 요구됩니다.
LG화학은 이러한 코팅층을 더욱 정교하게 형성하면서도 공정 비용을 줄일 수 있는 ‘비용 경쟁력 있는 공정 기술’ 개발에도 집중하고 있습니다. 일반적으로 양극재 표면을 균일하게 코팅하기 위해서는 유기 용매를 활용한 습식 코팅을 많이 적용합니다. 하지만 습식 코팅의 경우 별도의 공정 설비가 필요해 고객의 제조 원가가 높아지는 어려움이 발생하는데요. 이를 해결하기 위해 LG화학은 기존 제조 공정에도 쉽게 적용할 수 있는 ‘건식 코팅’ 기술을 개발하고 있습니다.
두 번째, 양극재 구조 안정성을 높이는 ‘형상 제어 기술’
또 다른 문제는 황화물계 고체 전해질과 양극재가 반응하는 과정에서 양극재 입자 내부에 균열이 발생할 수 있다는 점입니다. 입자에 균열이 생기면 배터리 내부의 전기 흐름이 원활하지 못하게 되고, 결국 성능 저하와 수명 단축으로 이어집니다.
LG화학은 이를 해결하기 위해 양극재 격자 구조 내에 특정 원소를 도핑해 입자 내부의 균열을 억제하고, 동시에 리튬이온이 이동하는 경로를 최적화하는 연구를 진행하고 있습니다. 이 기술은 고속 충·방전 환경에서도 구조적으로 안정적인 양극재를 구현해 장기 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.
전고체전지는 전 세계 자동차 회사와 배터리 기업들이 개발 속도를 높이고 있는 분야입니다. 그만큼 차세대 배터리 시장의 주도권을 가를 핵심 기술로 평가받고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 LG화학은 독자적인 소재 기술력과 지속적인 연구개발 투자, 고객사와의 밀착 협력을 기반으로 전고체전지 상용화를 향한 핵심 기술들을 하나씩 확보해 나가고 있습니다.
현재 LG화학 청주공장에서 생산되고 있는 High-Ni NCM 양극재 기반 리튬이온전지의 에너지 밀도는 약 400Wh/kg 수준입니다. LG화학은 여기에 황화물계 고체 전해질을 적용한 전고체전지를 개발하고 있으며, 2030년에는 500Wh/kg 에너지 밀도를 갖춘 전고체전지를 시장에 선보이는 것을 목표로 연구에 박차를 가하고 있습니다.
또한 고객 현장에서 발생하는 다양한 어려움을 함께 해결해 나가는 과정 역시 중요한 가치로 보고 있습니다. 이러한 문제 해결 과정은 LG화학의 기술력을 더욱 견고하게 다지는 기반이 되고 있습니다.
전고체전지가 상용화된다면 전기차의 주행거리는 지금보다 더욱 길어지고, 충전 시간은 단축되며, 안전성도 한층 높아질 것입니다. 이는 배터리 성능 향상에 그치지 않고 미래 모빌리티와 에너지 산업 전반의 변화를 이끄는 중요한 전환점이 될 것입니다.
LG화학이 양극재 소재 개발을 넘어 미래 배터리 기술의 새로운 기준을 만들어가고자 하는 이유도 여기에 있습니다. LG화학은 더 나은 에너지 생태계를 구축하기 위한 여정 속에서 지속적인 혁신을 바탕으로 차세대 배터리 시장에서의 경쟁력을 꾸준히 강화해 나가겠습니다.
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