※ 2차전지(전고체)

▶ 개요

전고체 배터리 생산에 필요한 핵심소재나 원료, 기술 등을 연구·개발하는 업체. 전고체 배터리란 배터리 양극과 음극 사이의 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리로 에너지 밀도가 높으며 대용량 구현이 가능하고, 전해질이 불연성 고체이기 때문에 발화 가능성이 낮은 것이 특징임. 아울러 전고체 배터리는 확장성이 높아 플렉서블(flexible) 배터리로 활용할 수 있어 리튬이온 배터리를 대체할 기술로 주목받고 있음.

▶ 이슈&모멘텀

2차전지(전고체)

​리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되며, 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있음. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리로 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신하고 있음. 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있는 특징을 가짐.

전고체 전지의 특징

• 에너지밀도 개선 - 전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높으며 이는 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채웠기 때문임. 셀 단위에서 고전압이 가능하고 부피가 줄다 보니 부피당 에너지 밀도는 전고체 전지의 두드러진 장점이며, 전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 완성차 업체들이 주목하고 있음.

​• 안정성 - 현재의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상시의 위험성이 존재하며 안정성을 높이기 위한 부품이나 장치들이 필요함. 반면, 전고체 전지의 경우는 외부 충격이 가해져 셀이 절단되더라도 불이 붙을 수 있는 재료의 누출이 없고 폭발의 위험도 낮음.

• 원가절감 - 배터리 폭발 위험성이 낮아지면서 안정성을 확보하기 위해 사용되었던 부품, 소재 적용이 줄어들어 원가절감 효과를 기대할 수 있음.

• 충전 속도 - 전고체 전지의 경우는 전지 구조가 분리막과 전해액이 없고 고체의 전해질을 통해 리튬이온이 이동하게 되니 충전 속도가 빠름. 아울러 고체 전해질은 액체 전해질에 비해 충전 시 과열의 우려가 적기 때문에 안전 우려 없이 배터리에 강력한 전류를 흘려보내 빠르게 충전할 수 있음.

전고체 배터리 상용화를 위한 필요 기술

​1. 액체전해질 동등 수준 이상의 높은 이온전도도 특성을 가져야 함.

2. 넓은 전기화학적 범위 (Potential 를 가지고 있어 배터리의 양극과 음극 구성시 충방전 전압 범위에서 전해질 분해 반응이나 부반응을 일으키지 않으면서 안정적이여야 함.

3. 높은 열적 안정성.

4. 높은 화학적 안정성.

5. 대량 양산에 적합한 물성을 지녀야 함.

6. 음극재로서 리튬메탈 소재의 적용 여부.

전고체 배터리 시장 전망

​최근 고안전 고에너지 전고체 배터리 개발이 가속화되고 있는 가운데 차세대 전지 중 전고체전지의 특허 출원건수가 압도적이며, 근시일 내에 상용화 가능한 차세대 전지 후보로 주목받고 있음. 전고체 배터리 시장은 향후 기술개발에 따라 ‘25~’30년 단계적 개화 ‘30년 이후 본격적인 확대국면이 나타날 것으로 예상됨.

시장조사업체 IDTechEx에 따르면 전기차용 전고체 배터리 시장은 2022년 중국을 시작으로 상용화가 진행, 2031년 80억달러 약 9조 920억원 에 달할 것으로 예측 되고 있음. 일부에서는 양산성, 경제성 등을 고려할 때 실제 전기차에 적용되는 시기는 빨라야 2027~2030년경일 것으로 전망.

SNE리서치에 따르면 올해 2GWh에 불과한 전고체 배터리 시장은 2025년 16GWh에서 2030년 135GWh로 커질 것으로 전망. SNE리서치가 예상한 2030년 전기차 배터리 시장 수요가 3254GWh에 견주면 4% 대까지 확대 되는 것임.

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주요 업체들의 전고체 배터리 개발 현황

​전고체 배터리는 아직까지 연구개발 단계에 있지만 전세계 많은 배터리, 완성차 업체가 뛰어들며 상용화 준비에 박차를 가하고 있음. 전체 양극재 재료기술 특허 출원 비중은 일본(41.6%)에 이어 한국(21.9%)이 높지만, 전고체 재료 영역에서는 일본(54%)에 이어 미국(18%)이 한국(12%)을 앞선 상황. 기업별로 보면 일본의 도요타가 15.4%로 높고, 한국 기업의 경우는 삼성이 4.9%, LG가 1.6%를 점유.

- 전고체 배터리 관련 2,000여개 이상 특허를 보유한 Toyota는 황화물계 전고체 배터리 상용화 위한 연구개발 중.

- 산화물계 전고체 배터리 연구개발 중인 Quantumscap

- 황화물계 전고체 배터리 연구개발 중인 Solid power

- 국내에서는 황화물계 전고체 배터리 연구개발 중인 삼성SDI가 가장 앞서 있다는 평가

- LG에너지솔루션은 LG화학 당시 폴리머계 전고체 배터리 특허를 다수 출원, 고분자계 전해질을 사용한 전고체 배터리 개발에 집중

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​전고체 도입 시나리오에 따른 2차전지 밸류체인 영향 점검

전고체 전지 시장 확대로 수혜를 받는 기업도 있겠지만, 기존 2차전지 밸류체인 내에서 구조적인 변화를 겪어야 되는 기업도 있을 것으로 전망되고 있음. 이에 대해 삼성증권은 첫번째 시나리오로 전고체 전지 탑재 차량 양산 출시 시하이니켈 셀 제조사에 긍정적이고 전해액/분리막 업체에 불리할 것이며, 두번째 시나리오로 전고체 차량 컨셉 공개와 재료 구성 변화 시 기존 밸류 체인 입장에서 현실적인 위협이 되지는 않을 것이나, 전고체 기술이 기존의 재료를 보완하는게 아니라 대체되는 경우 리스크일 것으로 예상.

다만, 전고체 시대를 가정하더라도 하이니켈 기반의 2차전지 셀 업체들과 양극재 재료 부문의 경우는 전기차 및 에너지 저장장치 시장 확대의 과정에서 외형 성장 및 이익 개선과 같은 긍정적인 환경을 기대해 볼 수 있을 것으로 예상.