포스코경영연구원 박재범 수석연구원

올해 초, 뜨거운 열기 속에 열린 ‘CES 2026’에서 가장 큰 화제로 떠오른 분야는 휴머노이드 로봇이었습니다. 전시 직후, 휴머노이드 로봇에 대한 관심이 커지면서 로봇 관련 기업들의 주가가 크게 상승하기도 했죠. 휴머노이드 로봇은 고강도 노동이 필요한 작업장에서 인간을 대신해 위험하거나 복잡한 작업을 수행할 수 있는 로봇으로, 실생활은 물론 산업 현장 전반에 걸친 다양한 분야에서의 활용 가능성이 주목받고 있습니다.

▲CES 2026에서 공개된 ‘차세대 전동식 아틀라스 연구형 모델’(왼쪽), ‘차세대 전동식 아틀라스 개방형 모델’(오른쪽). [※사진 출처 : 현대자동차그룹]

로봇, 특히 휴머노이드는 배터리 탑재 가능 공간에 한계가 있습니다. 전기차와 달리 많은 양의 배터리를 탑재하기 어렵기 때문에 배터리 용량에 한계가 있는 것이죠.* 이에 따라 로봇에는 무게·부피당 에너지 밀도가 높은 배터리가 필수적입니다. 또한 로봇은 무거운 물체를 들 수 있어야 하고 순간적으로 빠른 동작이 필요할 때도 있기 때문에, 배터리 성능에서 높은 출력도 중요한 요인으로 작용할 것으로 보입니다. 전고체 배터리는 향후 이러한 요구 조건을 충족할 수 있을 것으로 평가받지만, 아직은 상용화 전 단계에 머물러 있어 가격이 매우 높습니다.

그러나 전체 원가에서 배터리가 차지하는 비중을 살펴보면, 전기차와 로봇 간에는 분명한 차이가 있습니다. 상대적으로 배터리 원가 비중이 높은 전기차와 달리 로봇에서는 배터리가 차지하는 가격 비중이 상대적으로 낮아, 전고체 배터리를 탑재하더라도 로봇 가격의 인상폭이 전기차 보다 적습니다. 이로 인해 전고체 배터리가 상용화될 경우 초기 적용 가능한 분야로 휴머노이드 로봇이 유력하게 거론되고 있는 것입니다.

*EV 1대 (30~100kWh) vs 로봇 1대 (2~4kWh)

이러한 기술적 장점과 시장의 높은 기대에도 불구하고 전고체 배터리가 단기간 내 상용화로 직결되기는 어렵습니다. 양산 공정에서 해결해야할 문제는 차치하고 생각해봐도 여전히 높은 비용이라는 장벽이 존재하기 때문입니다.

휴머노이드 로봇의 상용화 가격을 대당 5000달러로 가정했을 때, 삼원계인 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리를 LFP 배터리로 전환하더라도 로봇 가격의 인하 폭은 약 1.9%에 불과합니다. 즉, 로봇은 대당 배터리 사용량이 적어 LFP를 사용해도 전기차만큼의 원가 절감 효과를 기대하기 어렵습니다. 전고체 배터리를 적용할 경우에는 어떨까요? 로봇 가격은 약 14~17%가 상승하고, 배터리가 차지하는 원가 비중도 20~24% 수준까지 높아지는 것으로 추산 가능합니다.

로봇의 특성과 용도에 따라 차이는 있겠지만, 업계에서는 휴머노이드 로봇에서 배터리가 차지하는 적정 원가 비중을 약 10% 수준으로 보고 있습니다. 휴머노이드의 심장인 배터리 외에도 관절에 해당하는 액추에이터(Actuator), 손에 해당하는 그리퍼(Gripper), 머리에 해당하는 AI 등 필요로 하는 부품과 모듈이 많아 배터리에 많은 원가 비중을 할애하기 어렵기 때문이죠. 따라서 전고체 배터리 적용에 따른 로봇 성능 개선을 감안해 원가 비중을 최대 15%까지 가능하다고 가정하더라도 전고체 배터리 가격은 kWh당 350달러 수준까지 하락할 필요가 있습니다.

전고체 배터리 상용화의 핵심 과제

전고체 배터리 가격이 높은 이유는 양산 공정이 안정화되지 못해 대량 생산 체제가 구축되지 못한 것이 가장 큰 요인이지만, 핵심 소재인 고체전해질의 가격이 높은 것도 주 요인인데요. 고체전해질 소재만으로도 리튬이온 배터리의 가격을 웃도는 수준이죠. 이는 고체전해질의 핵심 원료인 황화리튬(Li₂S) 가격이 약 500달러/kg로 여전히 높고, 주로 랩·파일럿 라인에서 제조되고 있어 생산량이 증가함에 따라 평균 가격이 감소하는 ‘규모의 경제 효과’가 발생하지 못하고 있기 때문입니다. 전고체 배터리가 리튬이온 배터리 대비 가격 경쟁력을 확보하려면 고체전해질 가격이 kg당 30달러 수준까지 떨어져야 할 것으로 보입니다.

상용화를 위해서는 가격뿐 아니라 기술적인 과제도 남아 있습니다. 전고체 배터리의 안전성 개선은 핵심 소재인 고체전해질 적용만으로도 가능하지만, 궁극적으로 에너지 밀도를 높이기 위해서는 다른 소재의 개선도 병행이 필요하기 때문입니다. 또한 피크 출력(수초~수십초) 향상을 위해서는 이온전도도 향상과 계면 저항 극복이라는 기술적 난제들도 풀어야 합니다. 현재 글로벌 주요 기업들은 이러한 한계를 극복하기 위해 소재 중심의 R&D를 활발히 추진하고 있습니다.

여러가지 이슈에도 불구하고 전고체 배터리는 여전히 로봇에 매우 적합한 차세대 배터리 기술로 거론되고 있습니다. LFP 배터리 대비 안전성이 높을 뿐만 아니라 에너지 밀도의 개선 여지가 매우 크기 때문입니다. 이를 통해 로봇의 작업 시간은 물론 수초에서 수십 초에 이르는 피크 출력 성능까지 향상 가능할 것으로 기대를 모으고 있죠. 결국 전고체 배터리 적용에 따른 비용 증가 부담을 상쇄할 수 있을 정도로 에너지 밀도, 피크 출력, 안전성 등 로봇 성능의 실질적 개선이 명확히 입증되는지가 향후 상용화 판단의 핵심 기준이 될 것으로 보입니다.

전고체 배터리는 오랫동안 ‘꿈의 배터리’로 불리며 이차전지 시장에서 큰 기대를 받아 왔지만, 아직은 리튬이온 배터리와 유사한 수준의 양산성과 가격 경쟁력을 확보해야 하는 과제가 남아 있습니다. 지금까지는 전고체 배터리를 사용할 수 있는 적합한 수요처가 제한적이었으나, 최근 그 예상을 뒤엎고 시장 개화 시점이 앞당겨질 가능성도 제기되고 있습니다.

① 전기차보다 먼저? 로봇 시장 적용 가능성

국내 배터리 기업 가운데 전고체 배터리 양산 시점을 비교적 구체적으로 제시한 곳 중 하나로는 삼성SDI가 꼽힙니다. 삼성SDI는 2027년을 목표로 전고체 배터리 양산을 추진하고 있으며, 로봇을 포함한 다양한 신규 응용 분야에서의 활용 가능성도 검토하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 계획이 현실화될 경우, 기존의 전기차 아닌 로봇 등 일부 비(非)자동차 분야에서 전고체 배터리가 먼저 적용될 가능성도 있습니다. 특히 로봇은 전기차와 비교할 때 샘플 테스트 단계와 인증 절차 측면에서 상대적으로 유연하기 때문에, 시장 환경이 급변할 가능성도 충분히 존재합니다.

② 중국의 전고체 배터리 국가 표준안 발표

한편, 글로벌 정책 환경 변화 역시 전고체 배터리의 시장 개화 시점을 앞당기는 요인으로 작용하고 있습니다. 중국 정부는 최근 전고체 배터리 관련 국가 표준안을 발표하며 용어와 분류 체계를 정립했는데요. 이는 로봇, eVTOL* 등 차세대 응용 분야를 중심으로 시장 주도권을 확보하겠다는 전략적 움직임으로 해석됩니다. 중국 주요 배터리 기업들도 2027년 전후 전고체 배터리 상용화를 목표로 개발을 가속화하고 있으며, 정부 지원이 병행될 경우 초기 원가 부담도 일부 완화될 것으로 전망됩니다. 이러한 국가 표준 제정과 정책 지원은 기술 완성도와 별개로 시장 형성 속도를 앞당기는 역할을 할 수 있다는 점에서 의미가 있습니다. 이에 따라 국내에서도 핵심 소재의 생산 기반 확보와 차세대 배터리 R&D 지원 확대 등 정책적 대응을 모색하고 있습니다.

*eVTOL (Electric Vertical Take-Off and Landing) : 전기 수직 이착륙 장치로, 전력을 사용해 수직으로 호버링(hovering), 이륙·착륙하는 항공기

③ 상용화까지의 시간, ‘피벗 전략’이 중요

2027년 전고체 배터리의 초기 양산 및 파일럿 단계 가격은 400~600달러/kWh로 추정되며, 여전히 상업 생산 규모로의 전환은 2030년 이후에나 될 가능성이 커 보입니다. 다만 향후 3~4년은 시장에서 전고체 배터리가 주기적으로 이슈화되면서 상용화를 위한 소재 공급망 구축이 병행될 것으로 예상됩니다. 이처럼 급변하는 상황에서 리튬이온 배터리 경쟁력을 강화하면서도 전고체 배터리 시장이 열릴 경우 즉시 전환할 수 있는 ‘피벗(Pivot) 전략*’을 사전에 준비할 필요가 있다는 주장도 제기되고 있습니다. 이는 전고체 배터리 시장 개화를 마냥 기다리는 것 보다는, 기존 리튬이온 배터리 경쟁력을 강화하면서 동시에 전고체 배터리로의 빠른 전환에 유연하게 대처하기 위한 전략적 준비가 필요하다는 것을 시사하고 있습니다.

*피벗(Pivot) : 기존의 중심은 유지한 채 방향이나 전략을 전환하는 것.

포스코그룹은 전고체 배터리용 양극재, 리튬메탈 음극, 고체전해질 등 핵심 소재에 대해 선제적으로 연구·개발 및 투자를 지속해 왔습니다. 포스코그룹은 전고체 배터리의 핵심인 고체전해질 사업 경쟁력 확보를 위해 2022년 2월 ㈜정관에 지분 40%를 투자해 포스코JK솔리드솔루션을 설립하고, 파일럿 공장을 운영중으로 글로벌 배터리사 및 OEM사를 대상으로 샘플테스트를 진행 중에 있습니다.

또한 대만의 프롤로지움, 미국의 팩토리얼 에너지 등 주요 전고체 배터리 기업들과의 공동연구 협약, 지분 투자 등을 통해 고체전해질, 고용량 양극재, 실리콘 음극재 등 차세대 소재 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 아울러 황화물계 고체전해질 원가에서 높은 비중을 차지하는 핵심 원료인 황화리튬을 보다 경제성 있게 생산하기 위한 기술 내재화도 추진 중입니다.

▲포스코퓨처엠 포항 양극재 공장 전경.

최근 포스코퓨처엠은 미국 메사추세츠 주에 본사를 둔 전고체 배터리 기업 팩토리얼(Factorial)과 전고체 배터리 기술 개발을 위한 MOU를 체결했습니다. 이번 협력을 통해 포스코퓨처엠의 소재 기술과 팩토리얼의 글로벌 파트너십 역량이 결합되어 전고체 배터리 시장에서 경쟁력 확보 가능할 것으로 기대를 모으고 있습니다.

이처럼 포스코그룹은 소재 설계 기술과 코팅 기술을 보유한 포스코퓨처엠을 중심으로 전고체 배터리용 양극재, 실리콘·리튬메탈 음극재, 황화물계 고체전해질 등 전고체 배터리의 핵심 소재 포트폴리오를 지속적으로 확대해 나갈 예정입니다.

* 참고자료
– 아시아경제, ‘26.2.2., “[컨콜] 삼성SDI, 내년 전고체 배터리 양산… 다양한 로봇 업체와 협력 중”
– 모빌리티 인사이트, ‘26.2.4., “휴머노이드 로봇의 ‘2시간 한계’ 상용화 조건은 전고체”
– McKinsey, ‘26.1.1., “Battery 2035: Building new advantages”
– 중국 신화넷, ‘26.1.14., “工业和信息化部：加快突破全固态电池、高级别自动驾驶等技术”
– CNEVPOST, ‘25.12.31., “China begins seeking public input on national standard for EV solid-state battery”
– China Daily, ‘26.1.16., “NEV sector surging full steam ahead”

포스코퓨처엠이 미래 배터리 시장 선점을 위해 미국의 전고체 배터리 업체인 팩토리얼社에 투자한다.

포스코퓨처엠은 지난 7일 미국의 팩토리얼(Factorial Inc.,)과 투자계약을 체결하고 26일 투자금 납입을 완료했다. 지난해 11월 양사가 전고체 배터리 기술개발을 위한 MOU를 체결한 데 이어 협력관계를 한층 더 강화한 것이다.

포스코퓨처엠은 이번 투자를 통해 전고체 배터리 시장의 폭발적 성장에 대비하고, 팩토리얼은 고품질의 전고체 배터리 소재를 안정적으로 확보하는 한편 배터리 제조경쟁력도 강화한다는 계획이다.

포스코퓨처엠 홍영준 연구소장은 “양사는 지속적이고 긴밀한 파트너십 속에 소재기술을 발전시켜 왔다”며 “한층 발전된 파트너십을 통해 전고체 배터리 시장 개화에 발맞춰 독보적인 경쟁력을 확보할 수 있게 될 것”이라고 말했다.

팩토리얼은 미국 매사추세츠주에 본사를 둔 전고체 배터리 업계의 선두주자로 미국증시 상장을 추진하고 있으며, 국내에서는 충남 천안에 전고체 배터리 파일럿 공장을 운영하며 사업을 본격화하고 있다. 팩토리얼의 전고체 배터리 플랫폼인 「Solstice(솔스티스)」는 우수한 에너지 밀도와 안전성을 가진 것으로 알려졌으며, 선도적 기술력을 바탕으로 한국, 유럽, 북미의 주요 완성차사와 협력관계를 맺고 있다. 이러한 팩토리얼의 네트워크 경쟁력과 포스코퓨처엠의 소재 기술이 결합되어 향후 양사의 협력 관계에서 상승효과를 낼 것으로 기대된다.

전고체 배터리는 기존 액체전해질 대신 고체전해질을 사용함으로써 에너지밀도와 안전성이 우수해 배터리시장의 판도를 바꿀 ‘게임체인저’로 주목 받고 있다. 포스코퓨처엠은 팩토리얼과 전고체 배터리용 양극재 샘플 테스트를 진행해 왔으며 다수 소재사 중 포스코퓨처엠의 소재가 출력 특성 등 품질경쟁력이 우수하다는 평가를 받았다.

포스코퓨처엠이 개발 중인 전고체 배터리 소재는 자율주행 전기차, 도심항공교통(UAM) 등 차세대 모빌리티는 물론 휴머노이드, 로보틱스 등 피지컬AI 시장에서도 적용이 크게 확대될 것으로 예상된다.

글로벌 시장조사기관 스태티스타(Statista)에 따르면 피지컬AI 시장규모는 2020년 50억 달러(약 7조원)에서 2030년 643억 달러(약 94조원)로 연평균 성장률이 23.3%에 이를 것으로 전망된다. 모건스탠리(Morgan Stanley)가 예측한 2050년 글로벌 휴머노이드 시장은 5조 달러(약 7000조원) 규모로, 이는 2025년 반도체 시장의 6배를 상회한다.

포스코퓨처엠은 전고체 배터리에 최적화된 소재 설계기술과 코팅기술을 확보하고 있으며, 포스코그룹 차원에서 황화물계 고체전해질과 더불어 에너지저장용량이 우수한 실리콘·리튬메탈 음극재 등 전고체 배터리 소재 포트폴리오를 지속 확대해 나가고 있다.

▲세종시 소재 포스코퓨처엠 기술연구소 직원이 양극재 시험생산을 위한 파일럿설비를 가동하고 있다.

▲포스코퓨처엠 포항 양극재 공장 전경.

최근 미국 텍사스에서 완전자율주행 기능을 탑재한 테슬라의 로보택시가 시범 운행에 들어갔다는 소식이 큰 화제가 됐습니다.
테슬라는 “2026년 하반기까지 수백만 대의 완전자율주행 차량이 미국 전역을 누비게 하겠다”라는 계획을 발표하며,
완전자율주행 시장의 성장을 주도하고 있는데요.
이번 편에서는 완전자율주행 자동차 시장의 현재와 미래를 정리하고,
그 중심에서 포스코그룹의 리튬 사업에도 어떤 영향이 있을지 포스코경영연구원 박재범 수석연구원과 함께 알아보겠습니다.

자율주행은 자동차를 포함한 운송 수단이 운전자의 개입 없이 스스로 주행하는 기술을 말합니다. 보통 자율주행 기술은 다섯 단계로 구분하는데, 미국 자동차공학회(Society of Automotive Engineers, SAE)가 레벨 1에서 레벨 5까지 정의를 내렸습니다. 우리나라의 국토교통부도 이와 비슷한 정의를 내리고 있고요. 이에 따르면 현재 많은 차량이 레벨 2까지 구현된 상태이며, 일부 차량은 레벨 3까지 업그레이드되어 있다고 합니다.

자율주행 기술의 단계를 쉽게 말하자면, 레벨 1은 핏 오프(Feet Off), 레벨 2는 핸즈 오프(Hands Off), 레벨 3는 아이즈 오프(Eyes Off), 레벨 4는 마인드 오프(Mind Off), 레벨 5는 드라이버 오프(Driver Off)라고 할 수 있는데요.

레벨 4에서는 핸들과 브레이크, 액셀러레이터 등이 있기는 하지만, 운전자가 실제 운전에는 개입하지 않고 유사시에만 잠시 개입합니다. 레벨 5는 궁극적으로 핸들, 브레이크, 액셀러레이터 자체가 없는 진정한 완전자율주행 상태를 의미하고요. 이 단계까지 가게 되면 모빌리티의 개념 자체가 완전히 달라질 테지만, 실제 구현하는 데까지는 시간이 좀 더 걸릴 것으로 예상됩니다.

*Feet Off : 운전자가 발을 페달에서 떼는, 조금 더 발전된 단계
*Hands Off : 운전자가 스티어링 휠에서 손을 떼는 단계
*Eyes Off : 운전자가 도로를 보지 않고 다른 곳을 보는 것이 허용되는 단계
*Mind Off : 운전자가 다른 생각을 하거나 주의를 다른 곳으로 돌리는 것이 허용되는 단계
*Driver Off : 운전자가 없는 완전한 무인 자동차 단계

지난 6월 22일 미국 텍사스 오스틴에서 테슬라 로보택시 서비스가 시작됐습니다. 자율주행 기능이 탑재된 모델 Y 20여 대 이상이 투입된 건데요. 이곳에서 체험할 수 있는 자율주행 기능은 레벨 3에서 레벨 4 수준으로, 기술 초기 단계라 안전요원과 함께 운행하고 있습니다. 내년에는 LA와 샌프란시스코 같은 미국 스무 개 이상의 도시에서 로보택시를 운영할 계획이라고 합니다.

이번 도로주행에 투입된 테슬라 로보택시는 기존 모델 Y 차량에 풀 셀프 드라이빙(Full Self Driving, FSD) 베타 기능을 장착했는데요. 이는 여덟 대의 카메라가 설치돼 주변을 실시간으로 인식하고, FSD 칩이 뇌처럼 판단하면서 실시간 주행을 제어하는 방식입니다. 고성능 FSD 컴퓨터가 탑재되어 있고, 실시간으로 많은 연산이 필요해 전력 소모가 큰 것으로 알려져 있습니다.

테슬라보다 먼저 자율주행 택시 운영을 시작한 곳이 있죠. 바로 미국의 웨이모(Waymo)인데요. 웨이모는 2009년 구글 자율주행 사업부에서 시작해 2016년 분사한 자율주행 전문 기업입니다. 지난해 3월부터 LA에서 최초로 로보택시 서비스를 시작한 뒤, 현재는 미국 내 5개 도시에서 서비스하고 있습니다. 웨이모는 기술 완성도와 안정성에 집중하는 전략을 택하고 있는데요. 라이다, 레이더, 카메라 등 복합 센서를 활용해 도로 상황을 정밀하게 인식합니다.

중국은 미국과 함께 자율주행 기술을 이끄는 나라인데요. 완전자율주행 차량을 활용한 로보택시와 무인 배달 시스템을 적극적으로 추진하고 있습니다. 이미 우한에서는 자율주행 택시가 1000대 이상이라고도 알려져 있고요. 자율주행 사업에 뛰어든 기업은 화웨이, 바이두, 샤오미, 비야디(BYD) 등인데, 비야디(BYD)는 “모든 차종에 딥시크 AI 모델을 탑재할 것”이라며 중국의 AI 기업 딥시크와의 협업 계획을 발표하기도 했습니다.

중국은 전기차나 배터리와 마찬가지로 자율주행도 저렴한 가격을 앞세워서 글로벌 시장을 장악하려는 움직임을 보이고 있는데요. 이와 관련해 글로벌 컨설팅 기업인 맥킨지는 “2030년 중국의 자율주행 서비스 매출은 5000억 달러를 넘어서며 세계 최대 시장이 될 것”이라고 전망했습니다.

반면, 우리나라는 제한적인 시범 운행만 허용하고 있는 단계입니다. 서울 강남에서 카카오T 앱으로 호출 가능한 로보택시가 일부 운영되고 있지만, 조수석에 안전요원이 탑승한 상태로, 밤 11시부터 새벽 5시까지만 제한 운행되고 있죠. 국토교통부는 2027년 완전자율주행차 상용화를 목표로 하는 모빌리티 혁신 로드맵을 제시한 상태입니다.

완전자율주행차 상용화엔 하드웨어도 중요하지만, 무엇보다 이를 잘 제어하고 통제할 수 있는 AI 기술이 핵심인데요. 현재 대부분의 로보택시는 전기차를 기반으로 하고 있습니다. 이 때문에 완전자율주행차는 기존 내연기관 차보다 훨씬 전력 소모가 많을 수밖에 없죠. 운행시간 당 전력 소모를 봤을 때, 레벨 5가 구현되려면 레벨 2의 32배가량의 전력 소모가 필요하다는 연구 결과가 있을 정도입니다.

그런데 배터리를 많이 탑재하면 에너지의 양은 늘어나지만, 그만큼 차량의 무게가 늘어 효율이 떨어집니다. 따라서 앞으로는 배터리의 에너지 밀도가 중요해질 것으로 보이는데요. 이를 위해서는 배터리 소재 혁신을 통한 배터리 셀의 에너지 밀도 개선, 배터리 팩의 구조 개선과 같은 혁신이 필요합니다. 아울러 배터리 매니지먼트 시스템 개선을 통해 에너지를 효율화하는 것도 중요한 과제가 될 것으로 보입니다.

전기차가 혁신하기 위한 가장 좋은 방법은 전기차와 완전자율주행의 접목이라고 할 수 있습니다. 이는 중국 전기차의 판매량에서도 드러나는데요. 뛰어난 자율주행기술을 접목한 화웨이 자동차의 판매량이 지속적으로 증가하면서 중국 내에서 판매 순위를 끌어올리고 있거든요.

전기차 수요가 늘고, 전기차에 탑재되는 배터리 용량이 커지면, 포스코그룹이 집중하고 있는 리튬 사업에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보입니다.

전기차 시장의 판도가 저가 경쟁에서 성능 중심 경쟁으로 전환된다면, 결국 배터리 용량이 중요해지는데요. 현재 시장의 주목을 받는 나트륨이온배터리는 고성능 전기차에는 부합하지 않습니다. 따라서 삼원계, LFP, LMR 배터리 등의 수요가 장기적으로 볼 때 확대될 것입니다. 에너지 밀도 증가에 용이하고 안전성도 획기적으로 개선할 수 있는 전고체 배터리에 대한 수요도 커질 것이고요. 무엇보다 리튬을 사용하지 않는 배터리는 성능이 떨어져 전기차 배터리로 적합하지 않기 때문에, 전기차 성능이 향상되고 완전자율주행 기능이 접목될수록 리튬의 수요는 더욱 확대될 것입니다.

빠르게 발전하는 기술만큼이나 우리의 일상과 산업에도 큰 변화가 다가오고 있다는 걸 실감하셨을 텐데요. 앞으로 완전자율주행차가 만들어갈 새로운 모빌리티 시대, 그 중심에 있는 배터리와 핵심 소재 산업의 성장에 주목해 주세요!

▼완전자율주행 자동차의 미래 영상으로 만나보기

최근 전기차와 ESS(에너지저장장치) 등 미래 에너지 산업이 빠르게 성장하면서 이차전지소재 산업도 변화의 바람이 불고 있습니다.
기존 소재 조합을 뛰어넘는 새로운 소재들이 속속 등장하면서 현재 상용화된 소재를 대체할 세대교체의 조짐까지 보이는 건데요!
그렇다면 지금 가장 주목받는 이차전지소재에는 어떤 것들이 있을까요?
이번 편에서는 새롭게 떠오르는 이차전지 소재들을 한눈에 정리하고, 그 중심에서 포스코그룹이 어떤 전략을 펼치고 있는지,
포스코경영연구원 박재범 수석연구원과 함께 알아보겠습니다. 지금 바로 만나보시죠!

여러분, 현재 가장 널리 상용화된 이차전지가 무엇인지 아시나요? 바로 ‘리튬이온 배터리’입니다. 지구상에서 가장 가벼운 금속인 리튬을 활용해 만든 리튬이온 배터리는, 가벼운 무게와 높은 에너지 밀도, 그리고 수명이 길다는 강점을 바탕으로 스마트폰, 노트북, 전기차, ESS(에너지저장장치) 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있죠. 그런데 최근에는 이 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 신흥 강자로 ‘나트륨이온 배터리’가 새롭게 주목받고 있습니다.

나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리와 작동 원리나 소재 구성 면에서 꽤 비슷합니다. 두 배터리 모두 충전과 방전을 반복하는 이차전지로, 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 네 가지 핵심 소재로 이루어져 있죠. 리튬이온 배터리는 충방전 시 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오가며 에너지를 저장하고, 나트륨이온 배터리는 그 역할을 나트륨이온이 대신합니다. 기본적인 원리는 같지만, 이온의 종류와 소재의 차이가 있을 뿐입니다.

그렇다면 나트륨이온 배터리가 최근 들어 주목받고 있는 이유는 무엇일까요? 바로 ‘저온 환경에서의 우수한 성능’ 때문인데요. 리튬이온 배터리 중에서 가장 많이 사용되는 LFP 배터리(리튬인산철 배터리)는 영하 10도만 돼도 성능이 60~70%까지 크게 떨어지는 문제가 있지만, 나트륨이온 배터리는 같은 조건에서도 90% 이상의 성능을 유지할 수 있거든요. 요즘처럼 ‘더 빨리 충전되고, 더 오래 쓸 수 있는 배터리 소재’가 중요한 시대에, 겨울철이나 추운 지역에서도 안정적으로 사용할 수 있다는 점은 나트륨이온 배터리만의 큰 강점이라고 할 수 있습니다.

게다가 나트륨 매장량은 리튬에 비해 압도적으로 많다는 사실! 리튬은 지구상에 한정된 양만 존재하지만, 나트륨은 바닷물과 지각에 아주 풍부하게 분포해 있어요. 리튬의 무려 1000배에 달하는 매장량을 자랑해서 가격이 저렴하죠. 실제로 리튬 가격이 고점을 기록했던 2020~2021년 당시, 리튬보다 훨씬 저렴한 나트륨을 사용하는 나트륨이온 배터리가 큰 주목을 받기도 했답니다. 나트륨이온 배터리는 안정성도 뛰어나서 현재 높은 안정성과 저렴한 가격으로 전기차 시장에서 수요가 많은 LFP 배터리의 강력한 대안으로 떠오르고 있어요.

그런데, 여기서 한 가지 궁금증이 생깁니다. 이렇게 장점이 많은데도 왜 아직 나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리만큼 상용화되지 못한 걸까요?

주기율표를 한번 살펴볼까요? 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)처럼 같은 세로줄에 있는 원소들을 알칼리 금속으로 분류합니다. 이 원소들은 전기와 열을 잘 전달하는 특성이 있어 이차전지를 만드는 데 활용돼 왔죠. 그중에서도 리튬은 나트륨이나 칼륨보다 전위차*와 전류용량**이 더 뛰어나서 에너지 용량이 높아, 이차전지소재로 가장 적합하다고 여겨져 왔어요. 반면 나트륨이온은 리튬이온에 비해 원자반경이 약 30% 이상 커서 충방전 과정에서 소재의 결정구조에 손상을 줄 수 있다는 단점 때문에 아직 상용화가 더딘 편이죠. 이러한 이유로, 지금까지는 리튬이온 배터리가 가장 ‘널리’ 사용되어 온 것입니다.

*전위차 : 전자가 한 지점에서 다른 지점으로 이동하려는 힘(전압)
**전류용량 : 회로나 장치가 안전하게 흘릴 수 있는 최대 전류의 양(용량)

이처럼 나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리와 비교했을 때 기술적으로나 경제적으로 아직 넘어야 할 벽이 많습니다. 나트륨의 매장량이 리튬보다 더 풍부하다면 가격적인 면에서 훨씬 경쟁력이 있을 거라고 생각하실 텐데요. 실제로는 그렇지 않습니다. 나트륨이온 배터리의 시장 가격은 LFP 배터리보다 무려 14~71%나 더 비싼데요. 이는 배터리의 핵심 소재를 나트륨이온에 맞게 전부 새로 개발해야 하기 때문이라고 해요. 특히 음극재로, 기존의 천연/인조 흑연계보다 3~4배 비싼 하드카본을 써야 하죠. 음극재뿐 아니라 다른 소재들도 추가적인 개발과 그에 따른 비용이 필요합니다. 따라서 나트륨이온 배터리가 리튬이온 배터리의 가격 경쟁력을 따라잡으려면 앞으로 시간이 더 필요할 것으로 보입니다.

그래도 긍정적인 점은, 이론적으로는 나트륨이온 배터리에 들어가는 소재들이 더 저렴하기 때문에, 소재 개발이 활발해지고, 공급망이 잘 갖춰진다면 LFP 배터리보다 더 저렴해질 가능성도 충분히 있다는 건데요. 그렇게 된다면 저가형 전기차나 전기 오토바이·자전거, 그리고 가격에 민감한 ESS 시장에서도 나트륨이온 배터리가 널리 쓰이는 날이 머지않아 올 수 있을 것으로 기대합니다!

단, 관건은 ‘수명’입니다. 만약 나트륨이온 배터리의 수명이 LFP 배터리보다 짧다면, 교체 주기가 빨라져서 아무리 초기 설치 비용이 저렴해도 잦은 교체로 인해 장기적으로는 더 큰 비용이 들 수밖에 없을 테죠. 나트륨이온 배터리의 수명은 사용되는 양극재에 따라 달라지기 때문에, 현재도 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 앞으로 나트륨이온 배터리가 어떤 경쟁력을 갖춰서  리튬이온 배터리를 위협하게 될지, 기대해 봐도 좋을 것 같습니다!

LFP 외에도 NCM, NCMA, NCA… 혹시 이런 용어 들어본 적 있으신가요? 금속의 조합에 따라 다양하게 분류되는 양극재의 명칭인데요. 이처럼 시장에서는 계속해서 다양한 종류의 양극재를 개발하기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있어요. 대표적으로 인산철계(2원계) 배터리인 LFP와 세 가지 금속 원소(니켈·코발트·망간 또는 알루미늄)를 조합해 만든 삼원계 배터리(NCM, NCMA, NCA)가 현재 시장에서 가장 많이 쓰이고 있죠.

LFP 배터리는 가격 경쟁력과 안정성 면에서 뛰어납니다. 하지만 니켈이나 코발트를 쓰지 않다 보니, 에너지 밀도 면에서는 다소 아쉽죠. 삼원계 배터리는 LFP에 비해 에너지 밀도가 높아 고성능 전기차에 주로 사용되고 있는데요. 가격이 비싸고, 코발트 공급이 불안정하다는 점이 단점입니다. 이 두 가지 양극재의 장단점을 절묘하게 보완한 차세대 소재가 바로 LMR(리튬망간리치) 양극재입니다.

LMR은 기존 삼원계 배터리보다 니켈 함량을 대폭 줄이고, 비교적 저렴한 망간의 비율을 높인 소재입니다. 가격은 LFP 배터리와 비슷하지만, 전통적인 삼원계 양극재보다는 훨씬 저렴하죠. 에너지 밀도는 LFP보다 높고, 삼원계보다는 약간 낮아서 두 소재의 중간쯤에 위치한다고 볼 수 있습니다. LFP에 비해 주행거리를 크게 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 안정성이나 수명 면에서도 니켈 함량이 50~60%인 NCM(미드니켈) 양극재와 비교해도 뒤지지 않으니, 시장의 주목을 받는 것도 당연하겠죠!

▲포스코퓨처엠이 세종 기술연구소 파일럿 플랜트에서 LMR 양극재 제품 생산을 테스트하고 있다.

이런 흐름을 타고, 최근 글로벌 완성차 업체들이 잇달아 LMR 배터리를 장착한 전기차 출시 계획을 밝히며, 차세대 배터리 소재 경쟁에 합류하고 있는데요. 지난 5월 13일, GM 社는 2028년부터 LMR 배터리를 채택한 전기차를 출시하겠다고 밝혔고, 포드(Ford) 社 역시 2030년 이전까지 LMR 배터리를 상용화할 계획이며, 2세대 LMR 배터리도 파일럿 생산 중이라고 공식 발표한 바 있습니다. [관련기사 보기]

국내에서는 포스코퓨처엠이 LMR 양극재의 개발 및 상용화를 담당하고 있어요. 포스코퓨처엠은 포스코홀딩스 산하 미래기술연구원과 협업해 LMR 양극재의 에너지밀도와 충·방전 성능, 안정성 등을 꾸준히 개선해 온 결과, 지난해 파일럿 생산에 성공했고, 올해 안에 양산 기술을 확보해 대규모 계약 수주를 적극 추진할 계획이라고요. 향후 인증 절차를 거쳐 전기차에 실제로 탑재하는 시점은 2027~2028년쯤으로 예상한다고 합니다. 앞으로의 행보가 무척 기대됩니다!

나트륨이온 배터리, LMR 양극재 외에도 최근 핫한 배터리 소재가 또 하나 있습니다. 바로 ‘전고체 배터리’인데요. 전고체 배터리는 기존 배터리에 사용되던 액체 전해질을 고체로 대체한 차세대 배터리입니다. 기존 양·음극재의 한계를 개선할 수 있어, 에너지 밀도를 크게 높일 수 있죠. 그뿐만 아니라 외부 충격으로 인한 누액이나 폭발 위험이 적어 안전성 면에서도 주목받고 있어요. 꿈의 배터리라는 별명이 괜히 붙은 게 아니죠!

다만, 아직은 LFP 배터리보다 가격이 많이 비싸고, 기술적으로도 해결해야 할 과제들이 많아 상용화까지는 시간이 더 필요할 것으로 예상되는데요. 하지만 향후 초기 상용화 단계가 안정되고, 대량 생산으로 규모의 경제가 이루어진다면 가격도 점차 개선될 것으로 기대됩니다.

(자료 : 포스코퓨처엠, 포스코경영연구원)

포스코그룹은 이런 흐름에 발맞춰 전고체 배터리 개발에 힘을 쏟고 있는데요. 전고체 배터리에 들어가는 고체 전해질은 현재 포스코JK솔리드솔루션에서 생산 중이며, 황화물계 고체 전해질 생산에 필요한 황화리튬은 포스코홀딩스 산하 미래기술연구원에서 개발을 추진하고 있어요. 또한, 전고체 배터리의 음극 후보 물질 중 하나인 리튬메탈에 대한 연구도 미래기술연구원에서 활발히 진행 중입니다.

지금까지 새롭게 주목받는 이차전지소재 신흥 강자들을 소개해 드렸는데요. 각 소재의 존재감과 특성을 이해하는 데 도움이 되셨기를 바랍니다!

전 세계가 더 완벽한 이차전지를 만들기 위해 차세대 배터리 소재 기술 개발에 앞다퉈 뛰어들고 있는 요즘. 상용화를 위해 해결해야 할 도전 과제들도 아직 많이 남아 있는데요. 포스코그룹 역시 더 멀리 가고, 더 저렴하며, 더 안전한 이차전지소재를 만들기 위해 연구개발과 안정화에 지속적으로 힘쓸 예정입니다. 이차전지소재의 ‘탑 티어’를 목표로 성장해 나갈 포스코그룹의 여정을 앞으로도 쭉 지켜봐 주세요!

▼이차전지소재 총정리 모음.zip 영상으로 만나보기 

전 세계적으로 전고체 전지 기술 개발 경쟁이 뜨거운 만큼 포스코그룹도 전고체 전지의 원료와 핵심 소재를 활발하게 연구 개발해 오고 있는데요. 실제 연구가 이루어지는 곳이 바로 포항 포스코홀딩스 미래기술연구원입니다. 그래서! 최현정 아나운서가 직접 포항으로 찾아가 전고체 전지 전문가인 권오민 수석연구원을 만나 뵙고 알면 알수록 흥미로운 전고체 전지 이야기를 나눴는데요. 포스코그룹이 준비하는 전고체 전지 핵심 소재 사업이 궁금하셨던 분들은 주목해 주세요~ 지금 바로 시작합니다!

현재 전기차에 가장 많이 사용되는 이차전지 종류가 무엇인지 아시나요? 바로 리튬이온 전지입니다. 리튬이온 전지를 이루는 구성요소 중 양극과 음극 사이로 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 전해질은 액체로 이루어져 있는데요. 액체 전해질은 가연성 유기용매를 포함하고 있어 고온 환경이나 외부 충격 상황에서 화재나 폭발 위험이 크다는 문제가 있습니다.

이때, 분리막은 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막는 방패막이 역할을 하는데, 리튬이온 전지 분리막의 경우 우리가 흔히 아는 비닐봉지의 주성분인 폴리머(Polymer)로 이루어져 있죠. 실제 비닐봉지에 열을 가하면 수축하면서 소멸하듯, 리튬이온 전지의 분리막 또한 열을 받으면 손상되고, 그렇게 되면 양극과 음극의 단락*이 발생하게 됩니다.

*단락 : 전기 회로의 두 점 사이의 절연이 잘되지 않아 두 점 사이가 접속되는 현상

전고체 전지는 기존 리튬이온 전지에서 사용하는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 타입의 전지입니다. 강성이 낮은 폴리머(Polymer) 성질의 리튬이온 전지의 분리막과는 달리 분리막이 세라믹(Ceramics)으로 이루어져 있어 강성이 높죠. 그뿐만 아니라 휘발성이 없고 발화점이 높으므로 열을 받더라도 형상을 잘 유지해 화재로부터 안전합니다.

안전성이 향상되면 배터리에 들어가는 외장 케이스나 냉각장치 등의 열 관리 시스템을 단순화할 수 있어 배터리 팩(Pack) 단위에서 보다 향상된 에너지 밀도를 구현할 수 있는데요. 에너지 밀도가 향상되면 전기차 한 번 충전 시 주행가능 거리를 크게 늘릴 수 있습니다. 또한 리튬이온 전지에서는 위험성이 높아 사용할 수 없었던 리튬메탈 음극, 실리콘 음극, 실버/카본 나노 복합 음극체 등의 소재를 적용할 가능성도 높아져 기존 흑연 음극재 대비 에너지 밀도가 10배 가까이 늘어날 것으로 기대합니다. 내연기관 차에서 전기차로의 완전한 전환에 대응할 차세대 배터리로 전고체 전지가 떠오르는 이유, 이제 잘 아시겠죠?

설명만으로는 이해하기 어려운 분들을 위해 권오민 수석연구원이 직접 포스코그룹에서 생산하는 전고체 전지 샘플을 가져와 성능 테스트를 진행했는데요. 결과를 만나 보기 전에! 먼저 포스코그룹의 전고체 전지 스펙을 하나하나 자세히 뜯어 볼까요?

언뜻 보기에 얇은 종이 조각처럼 보이는 전지에 양극과 음극을 연결해 불이 들어오게 한 다음, 가위로 전지 면을 절단해 봤는데요. 과연 잘라도 불은 그대로 들어올까요?

전지를 반으로 잘라도 불빛이 꺼지지 않는 마법~ 이 놀라운 비결은 바로 전고체 전지를 이루고 있는 고체 전해질이 그 자체로도 분리막 역할을 하므로 강성이 높아 외부 충격 요인에도 멀쩡한 상태를 유지할 수 있기 때문인데요. 만약 전지 내부가 액체 전해질로 채워져 있었다면, 분리막이 손상돼 전해질이 누액·산화되고, 결국 전지는 구동되지 않아 제 역할을 하지 못했겠죠! 전고체 전지, 차세대 배터리 대표주자로 인정합니다!

그렇다면 이런 전고체 전지의 핵심 소재인 고체 전해질의 종류에는 어떤 게 있을까요? 전고체 전지에 쓰이는 고체 전해질은 황화물계, 고분자계, 산화물계 세 가지로 나뉘는데요. 이중 황화물계 고체 전해질은 상대적으로 부드러운 성질로, 전극과 전해질 간의 계면을 넓게 형성해 리튬 이온 전도도가 높아 전기차용으로 상용화 가능성이 가장 높습니다. 그러므로 전 세계 많은 기업이 가장 눈여겨보는 소재죠.

고체 전해질을 만들려면 황화리튬, 오황화인, 염화리튬 세 가지 핵심 원료가 필요합니다. 이 세 가지 원료를 균일하게 혼합한 다음, 열처리를 통해 아지로다이트(Argyrodite, 은, 게르마늄, 황이 결합된 희귀 광물)를 합성하는데요. 이때 중요한 건 고체 전해질의 입자 크기를 적절하게 형성해야 한다는 겁니다. 분쇄*와 해쇄** 공정을 거쳐 입자 크기를 조절하면 고체 전해질이 완성됩니다.

*분쇄 : 단단한 물체를 가루처럼 잘게 부스러뜨림

**해쇄 : 뭉쳐진 입자들을 원래의 입자들로 분리해 주는 작업

포스코그룹도 전고체 전지 시장을 선점하고자 황화물계 고체 전해질 사업에 집중하고 있다는 사실 아셨나요? 먼저 포스코홀딩스는 고이온 전도 소재나 수분 안정형 고체 전해질의 조성 기술 개발에 한창입니다. 시제품 내부 테스트 결과, 리튬이온 전지와 동등한 수준의 전지 성능을 구현할 수 있다는 걸 확인했다고 해요.

2022년 2월에는 디스플레이 소재·부품 전문 기업인 ㈜정관에 지분 40%를 투자해 포스코JK솔리드솔루션을 합작 설립하고, 연간 24톤의 황화물계 고체 전해질을 양산할 수 있는 규모의 생산 공장을 준공했는데요. 최근에는 신규 공정 기술을 적용하는 데 성공해 생산량을 7200톤으로 늘리고자 단계적인 규모 확장을 준비하고 있으며, 다양한 고객사를 대상으로 전고체 전지 제품 테스트를 진행하고 있다고요!

포스코그룹은 국내에서 유일하게 염수리튬, 광석리튬, 수산화리튬, 탄산리튬을 생산하고 있는 기업입니다. 그 외에도 고부가 리튬 화합물에 대한 연구 개발도 활발하게 진행 중인데요. 고체 전해질을 생산하려면 필수적으로 황화리튬, 염화리튬 등의 리튬 화합물 확보가 필요한 만큼, 리튬 생산 인프라를 보유한 포스코그룹이 황화물계 고체 전해질 사업 분야에서 상당한 경쟁력을 갖췄다고 할 수 있겠네요!

▼포스코그룹의 전고체 전지 성능 풀 영상으로 확인하기

포스코그룹 대표 사업 분야의 동향을 전문가가 직접 알기 쉽게 알려드립니다. 4편에서는 차세대 배터리로 촉망받는 ‘전고체전지’에 대한 이슈를 포스코경영연구원 박재범 수석연구원과 함께 짚어봅니다. 최근 전기차에 탑재되는 리튬이온전지의 이론적 한계를 극복할 대안으로 전고체전지가 떠오르고 있습니다. 포스코그룹도 차세대 전지 소재 시장 선점을 위해 전고체전지 풀 라인업 구축에 나섰는데요. 전고체전지를 중심으로 배터리 기술 현황과 시장의 미래를 살펴봅니다.

전지는 크게 일차전지(Primary Battery)와 이차전지(Secondary Battery)로 구분합니다. 일차전지는 한 번 사용하면 더 이상 충전이 불가능한 전지로, 건전지나 수은전지가 이에 해당합니다. 그에 비해 이차전지는 여러 번 충전해 사용할 수 있어 경제적이라는 장점이 있죠. 이차전지에도 여러 종류가 있지만 가장 흔히 사용하는 이차전지가 바로 리튬이온전지(LIB, Lithium-Ion Battery)입니다.

리튬이온전지는 다른 이차전지와 비교했을 때 수명, 충전 용이성, 방전율, 비용 등 모든 면에서 종합적으로 우수해 다양한 애플리케이션에 활용되고 있습니다. 특히 에너지 밀도*가 높아 한번 충전으로 오래 주행해야 하는 전기차나 모빌리티용으로 많이 쓰입니다.

*에너지 밀도 : 단위 무게 또는 단위 부피당 에너지의 양

그런데 현재까지 상용화된 이차전지 중 가장 완벽한 전지로 꼽히는 리튬이온전지도 에너지 밀도, 가격, 안정성 측면에서 지속적인 개선과 보완이 필요한 상황입니다. 그 이유를 알려면 우선 리튬이온전지의 작동 원리를 살펴볼 필요가 있습니다.

리튬이온전지를 이루는 핵심 요소 4가지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막입니다. 이중 전해질은 양극과 음극 사이로 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 중요한 매개체 역할을 하는데요. 이 전해질의 주요 성분으로 가연성 유기 용매를 포함하고 있어 고온 환경이나 외부 충격 상황에서 화재나 폭발 위험이 크다는 문제가 있습니다. 이런 문제를 해결하려면 양극재, 음극재, 전해질 등 소재의 성능을 개선하는 방법도 있겠으나 궁극적으로는 전지 타입 자체를 바꾸는 개선책이 필요합니다. 전고체전지, 리튬황전지, 나트륨이온전지 같은 포스트 리튬이온전지(Post-LIB) 또는 차세대 전지가 그 개선책으로 떠오르고 있으며, 그중 에너지 밀도와 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 전고체전지가 꿈의 배터리로 불리며 최근 전 세계적으로 각광받고 있습니다.

전고체전지와 리튬이온전지의 가장 큰 차이점은 전해질의 형태라고 할 수 있습니다. 전고체전지는 리튬이온전지 내 전해질을 액체가 아닌 분말 형태의 고체로 대체한 배터리인데요. 이렇게 되면 단순히 형태만 변화하는 것이 아닌, 리튬이온전지의 다른 소재도 크게 변화합니다. 리튬이온이 이동하는 과정에서 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막는 기존의 분리막이 필요 없어지고, 고체전해질이 그 자체로 분리막 역할을 하게 되는 것이죠.

안정성 향상

전고체전지가 가진 장점은 여러 가지가 있지만 대표적으로 안정성을 꼽을 수 있겠습니다. 리튬이온전지 전해질은 가연성을 띠는 유기 용매(액체)로 이루어져 있어 양극과 음극의 접촉을 차단하는 분리막이 열로 녹아내리거나 다양한 이유로 손상되는 경우, 화재나 폭발 가능성이 크다는 위험이 따르지만, 전고체전지 고체전해질은 그 자체로도 분리막 역할을 하기에 리튬이온전지의 분리막보다 강성이 높아 양극과 음극의 접촉을 잘 차단해 줍니다. 따라서 화재나 폭발 위험을 줄여 주죠. 또, 온도 변화나 외부 충격에 따른 누액, 산화 등이 일어날 가능성이 적은데요. 이는 곧 사용 편의성이 좋고 내구성이 뛰어나 유지보수 비용도 줄일 수 있다는 말이 됩니다.

높은 에너지 밀도 구현 가능

안전성이 향상되면 배터리 외장 케이스나 냉각장치를 단순화할 수 있기에 자연스레 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 냉각장치 등의 부품을 최소화한다면 남은 공간을 배터리 셀(Cell)로 활용할 수 있을 텐데요. 그렇게 되면 배터리 팩(Pack) 단위에서 보다 향상된 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 또한 음극 소재로 사용 가능한 후보 물질 중 에너지 용량이 가장 큰 리튬을 이용해 음극재를 만든다면, 이론적으로는 기존 흑연계 음극재 대비 에너지 밀도를 10배 가까이 늘릴 수도 있는데요. 따라서 차세대 음극재 끝판왕으로 불리는 리튬메탈 음극재가 안정성 문제를 해결하고 상용화된다면 에너지 밀도를 획기적으로 개선할 수 있으리라 예상합니다.

온도 변화에 용이

전해액이 고체로 바뀌면 온도에 대한 민감도가 낮아져 더 넓은 영역대의 온도에서 작동할 수 있다는 것도 또 하나의 큰 장점입니다. 기존 리튬이온전지는 -10°C 이하의 저온에서 이온 전도도*가 크게 감소하고, 고온에서는 열폭주 가능성이 높아져 주로 -10°C~40°C 사이에서 원활하게 작동했으나, 전고체전지는 -40°C~100°C의 넓은 온도 구간에서 문제없이 작동하는데요. 이에 따라 겨울철 배터리 방전이나 고온으로 인한 화재 위험을 개선할 수 있으며 열을 식히는 냉각장치도 대폭 줄일 수 있습니다.
*이온 전도도 : 이온이 무한 희석 상태에서 당량 전기 전도도에 기여하는 정도

공정 단순화 및 원가 절감

기존 리튬이온전지는 하나의 셀 당 전극을 하나씩만 가지는 모노폴라(Monopolar, 단극성) 전극 구조이나, 전고체전지는 셀 내 여러 전극을 직렬로 연결하는 바이폴라(Bipolar, 양극성) 구조로의 전환이 가능합니다. 바이폴라 구조는 셀 안에 전극을 여러 개 적층해 전지의 전압을 높일 수 있으며 이에 따라 출력도 증가한다는 장점이 있습니다. 또, 외장재·냉각 시스템·BMS*등의 최소화로 공정을 단순화하고 공간 활용률을 높이며 원가를 절감할 수 있죠.
*BMS (Battery Management System) : 배터리의 상태를 모니터링해 최적의 조건에서 배터리를 유지, 사용할 수 있도록 제어하는 시스템

전고체전지는 리튬이온전지에 비해 장점이 많지만 단점도 존재합니다. 바로 낮은 이온 전도성인데요. 액체전해질은 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 환경을 제공해 높은 이온 이동성을 갖지만 고체전해질은 이온이 흐르지 않고 고체 격자 사이에서 이동해 이온 전도성과 전기 화학적 성능이 떨어집니다. 이온 전도도가 떨어지면 출력 및 충전 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이온 전도도를 높이기 위해서는 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면의 저항을 최소화해야 하는데, 여러 기업에서 이를 고려한 활발한 연구 개발을 진행해 오고 있으며 그 결과 다양한 종류의 고체전해질이 등장하게 되었습니다.

전고체전지에 쓰이는 고체전해질은 크게 유기계와 무기계로 나뉩니다. 유기계로는 고분자(Polymer, 폴리머) 전해질이 있으며 무기계로는 황화물계, 산화물계 전해질이 있습니다. 이중 전기차용으로 상용화 가능성이 가장 높으며 많은 기업들이 관심을 갖는 것이 황화물계입니다. 황화물계가 주목받는 데는 여러 가지 이유가 있겠지만 무엇보다 이온 전도도가 가장 뛰어나다는 점 때문인데요. 상대적으로 부드러운 성질로, 전극과 전해질 간의 계면*을 넓게 형성해 리튬 이온 전도도가 높죠. 황화물계 내에서도 결정구조의 유무에 따라 다양한 구조가 존재하는데 특히 LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂)나 아지로다이트(Argyrodite, Li₆PS₅CL)은과 게르마늄을 함유한 희귀 황화물 광물) 구조의 고체전해질은 일반적인 액체전해질의 이온 전도도(5~10mS/cm)와 유사하거나 그 이상의 이온 전도도를 구현할 수 있다고 알려져 있습니다.
*계면 : 서로 다른 물질 또는 물리적 상태의 물질이 차지하는 두 공간 영역 사이의 경계

※이온 전도도 : LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂) 12~25mS/cm, Argyrodite(Li₆PS₅CL) 2~12mS/cm

많은 기업이 빈틈없이 더 완벽한 전고체전지를 만들어 내고자 연구 개발에 한창인데요. 기업마다 다르겠지만 일반적으로 양극은 현재 가장 활발하게 사용 중인 삼원계 양극재*가 중심이 될 것으로 보이며, 음극은 기존에 가장 많이 쓰이던 흑연계에서 실리콘계를 거쳐 리튬메탈이 사용될 것으로 보입니다. 리튬메탈 음극재는 부피당, 무게당 에너지 밀도가 높아 배터리가 사용하는 공간을 줄일 수 있고, 경량화를 통해 전기차의 전비를 향상할 수 있다는 장점이 있어 차세대 음극재로 주목받지만, 음극 표면에 덴드라이트**가 발생해 배터리 성능과 안전성을 저해하는 요인이 되기도 하는데요. 전고체전지의 고체전해질은 강성이 높은 분리막 역할을 해 덴드라이트로 발생하는 셀 손상 문제를 방지해 주기에 전고체전지 음극 소재로 리튬메탈이 매우 적합합니다. 따라서 삼원계 양극-황화물계 고체전해질-리튬메탈 음극재가 상용화 가능성이 높은 전고체전지의 소재 구성이라고 할 수 있겠습니다.

*삼원계 양극재 : 양극재로 주로 쓰이는 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 다른 원소가 더해져 총 세 가지 원소가 들어가는 양극재. 니켈-코발트-망간(NCM)과 니켈-코발트-알루미늄(NCA)으로 나뉜다.
**덴드라이트 (Dendrite) : 배터리 충·방전 시 음극 표면에 맺히는 리튬 결정

물론 기업들마다 조합하는 소재 구성이 다를 수 있습니다. 산화물계나 폴리머계 고체전해질을 준비하는 기업도 있으며, 일부 기업은 황화물계 고체전해질에 LCO 양극재(리튬코발트산화물)와 LTO 음극재(리튬티타늄산화물) 조합을 취하기도 하고, 어떤 기업은 무음극 (은-탄소 나노 복합층이 음극 역할) 방식으로 R&D를 하고 있기도 합니다.

선도 업체들은 이미 전고체전지 2027년 상용화 계획을 발표한 바 있으며, 주요 기업들도 늦어도 2030년까지는 양산하겠다는 계획입니다. 상업화 잠재력이 높다고 판단되는 황화물계 아지로다이트 고체전해질 조성 관련 원천 특허의 만료 시점이 2028년인 것도 상용화 시기에 영향을 줄 수 있을 것으로 예상됩니다.

독일 지겐대학교(University of Siegen)는 2008년 황화물계 원천 특허에 대한 PCT 특허출원을 한 바 있는데요. 이 특허가 후에 다른 기업에 이전되어 현재는 다른 기업이 권리를 보유하고 있습니다. 동 특허가 출원된 시점으로부터 20년 후인 2028년, 특허 만료 시기에 맞춰 많은 기업의 고체전해질 양산이 이루어질 가능성이 있습니다. 일부 기업들은 반고체전지(Semi Solid State Battery)를 준비하고 있기도 합니다. 반고체전지는 액체와 고체의 중간 형태인 젤(Gel) 타입의 전해질을 사용하는 것인데, 전해액과 고체전해질의 단점을 보완하고 장점은 살리기 위한 목적으로 개발 중입니다. 리튬이온전지의 기존 공정을 대부분 활용할 수 있기 때문에, 본격적인 전고체전지로의 전환에 앞서 징검다리 형태에 해당하는 기술이라고 볼 수도 있겠습니다.

낮은 이온 전도성, 높은 계면 저항 등 기술적으로 극복해야 할 이슈도 있지만, 또 다른 중요한 극복 과제로는 리튬이온전지와 유사한 수준의 양산성 및 가격 경쟁력을 확보하는 것입니다. 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 주 원료인 삼원계 전구체(Precursor)에 리튬이 혼합된 양극재를 사용하는 삼원계 배터리 셀의 경우, 현재 가격이 약 140달러/kWh인데요. NCM을 이루는 핵심 요소 중 가장 원가 비중이 높은 양극재가 30~50달러/kWh로 전체 가격의 약 30%를 차지합니다. 한편 전고체전지의 고체전해질 가격은 1000달러/kWh로, 다른 소재를 제외한 고체전해질 가격만으로도 현재 리튬이온전지 가격을 크게 상회하죠. 이는 고체전해질의 핵심인 황화리튬이 1,000달러/kg 이상으로 아직 비싸며, 고체전해질, 황화리튬 모두 랩(Lab), 파일럿(Pilot) 라인에서 제조되고 있어 생산량이 증가함에 따라 평균 가격이 감소하는 규모의 경제 효과가 일어나고 있지 않기 때문입니다. 전고체전지 1Gwh를 생산하기 위해서는 대략 황화물계 고체전해질 1000톤, 황화리튬 300톤이 필요할 것으로 추정되는데 랩, 파일럿 제조 라인으로는 생산량이 턱없이 부족하죠.

그러나 희망적인 것은 게르마늄 등 희토류가 투입되는 일부 전해질을 제외하면 일반적인 고체전해질의 원재료 가격은 10달러/kg 내외라는 것입니다. 즉, 공정을 개선해 생산량을 늘린다면 시장 가격은 30달러/kWh 수준까지 하락할 수도 있다고 예상되는데요. 현재 분리막과 전해액의 가격이 약 15달러/kWh임을 감안할때, 분리막과 전해액을 대체하는 고체전해질 가격이 30달러/kWh 이하로 하락한다면 전고체전지의 장점을 고려할 때 충분히 경쟁력 있는 가격이라고 볼 수 있겠습니다. 고체전해질과 황화리튬의 가격 절감이 기술적 이슈 극복과 함께 전고체전지 대중화의 중요한 전제 조건인 셈입니다.

포스코그룹은 전고체전지용 핵심 소재인 고체전해질 사업 경쟁력을 선점하고자 디스플레이 소재·부품 전문 기업인 ㈜정관에 지분 40%를 투자해 2022년 2월 포스코JK솔리드솔루션을 합작 설립하고, 연간 24톤의 황화물계 고체전해질을 양산할 수 있는 규모의 생산 공장을 준공했습니다. 현재는 생산량을 7200톤까지 획기적으로 늘리고자 단계적인 규모 확장을 준비하고 있으며 핵심 수요사를 대상으로 전고체전지 제품 테스트를 진행 중입니다. 해외에서는 2006년 대만에서 설립된 전고체전지 제조 기업인 프롤로지움에 지분을 투자한 후 공동연구 협약을 맺고 전고체전지 소재 공급망을 확장해 나가고 있습니다. 아울러 황화물계 고체전해질의 핵심 원료인 황화리튬(Li2S) 공급망도 확보하고자 사업 방안을 다방면으로 검토하고 있습니다.

포스코그룹은 전고체전지에서 고체전해질만큼이나 중요한 리튬메탈 음극재를 양산할 수 있는 경쟁력도 갖추고 있습니다. 아르헨티나에 순도가 높고 불순물이 적은 염호를 보유하고 있어 리튬을 음극재로 쓰기 위해 필요한 순도를 높이고 불순물을 제거하는 데 유리한데요. 이는 세계적인 수준의 리튬 정제 기술력이라고 평가받고 있습니다.

리튬메탈 제조 시 전기차용에 이차전지에 적합하면서도 경제성을 확보할 수 있도록 극박, 광폭 생산공정이 필요한데요. 압연, 도금 공정에서 쌓아온 포스코의 독자적인 기술력인 롤 투 롤(Roll to Roll) 공법을 적용하면 리튬음극의 두께를 얇게 만들고 폭을 넓히는 초극박화 과정을 무리 없이 소화할 수 있습니다. 이 공법을 리튬메탈 생산 공정에 적용해 차별화된 경쟁력을 확보해 나갈 계획입니다. 현재는 전착 방식의 리튬메탈 제품에 대한 샘플 제공과 테스트도 이어 가고 있습니다.

포스코그룹은 차세대 전지의 대표 격인 전고체전지 원료와 소재 분야에서 경쟁력을 확보하고자 그동안 쌓아온 포스코그룹만의 차별화된 기술력을 집약해 풀 라인업(Full Line-up) 구축에 나섰는데요. 앞으로도 포스코그룹은 변화하는 글로벌 시장 환경에 대응해 새로운 부가가치를 창출해 나가고자 노력할 것입니다.

l 에너지 대전환 시대, 핵심은 ‘배터리’

세계는 화석 연료 중심에서 재생에너지 중심으로 ‘대전환’이 일어나고 있다. 시대적 전환의 동력이 되고 있는 기후위기 극복을 위해 주요 국가에서 다양한 혁신기술을 개발하고 있다. 이때 우리 생활에 긍정적인 영향을 미칠 유망분야 중 하나로 꼽히는 것이 바로 배터리 기술이다.타

현재 가장 널리 사용되고 있는 배터리는 리튬이온전지이다. 리튬이온전지의 성능은 새로운 전자제품과 전기차에 대한 폭발적인 수요에 힘입어 끊임없는 기술개발로 향상되었다. 배터리의 성능이 좋다는 것은 에너지 밀도가 높은 것을 뜻한다. 리튬이온배터리의 초기 에너지 밀도는 200Wh/L, 80Wh/kg 수준이었고, 지금까지 3배가량 증가했다. 실제로 2011년 전 세계에서 가장 많이 팔렸던 전기차인 닛산 리프는 1회 충전 시 120Km 정도 주행이 가능했는데, 에너지 밀도가 높아진 덕분에 최근 출시된 모델은 500Km 수준에 달한다.
*에너지 밀도 : 단위 부피 또는 단위 무게 당 가지고 있는 에너지의 양을 말한다. 즉, 에너지 밀도가 높다면 같은 에너지를 가지고 있다 하더라도 부피가 작거나 무게를 적게 만들 수 있다.

하지만 높은 에너지 밀도는 그만큼 화재나 폭발 위험성을 가지고 있다. 독일보험협회 산하 화재예방 연구소인 VDS의 ‘S+S Report International’에 따르면 리튬이온배터리는 기계적 손상, 과방전, 과충전으로 인해 전기적 결함, 내부과열, 외부로부터 이차적 열 방출 등이 발생해 폭발반응이 일어날 수 있다고 말한다.

l 전고체 배터리가 ‘꿈의 배터리’인 이유

이러한 위험을 차단하기 위해 고체전해질이 새로운 차세대 배터리 기술로 떠오르고 있다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지를 말한다. 전고체 배터리의 메가트렌드(megatrends)는 ‘우수한 안전성’, ‘높은 에너지 밀도’, ‘고출력’, ‘넓은 사용온도’, ‘단순한 전지 구조’라 말할 수 있다. 그렇기 때문에 폭발의 위험에서도 자유롭고, 또 고체전해질은 0℃ 이하의 저온이나 60~100℃ 고온에서 액체전해질보다 전도 성능이 향상된다는 장점이 있다.

전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않아 관련 부품 수를 줄일 수 있다. 이에 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 제격이 된다. 즉, 전지의 고용량화, 소형화, 얇은 필름과 같은 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 다양하게 활용이 가능한 차세대 유망 기술로서 현재 다양한 고체전해질 물질의 개발이 빠르게 진행되고 있다.

고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지 종류로 나눌 수 있다. 먼저, 산화물계는 저항이 높아 충전 속도가 빨라야 하는 전기차용으로는 적합하지 않고 소형전지에 주로 적용된다. 폴리머계 전해질은 기존 액체전해질 기술과 유사하고 제조 공정도 비슷해 비용 경쟁력을 갖추고 있다. 이 중에서 기술적으로 가장 앞서가고 있는 분야는 황화물계다. 황화물계 전해질이 가장 높은 이온전도도를 보유하고 900Wh/L 이상의 높은 에너지 밀도로 구현할 수 있어 우수한 셀 성능으로 평가돼 활발한 연구가 진행되고 있다.

l 전고체 배터리 기술적 걸림돌

전고체 배터리가 리튬이온배터리의 최대 약점인 안전성을 개선할 유망 기술임은 확실하지만, 상용화하는 데 있어 아직 해결해야 할 숙제가 많다.

전해질의 본질적인 기능은 ‘리튬 이온의 이동수단’이다. 안정성도 중요하지만, 무엇보다 리튬이온이 원활하게 이동하도록 ‘이온전도도’가 높아야 한다. 하지만 전해질이 고체인 관계로 전극과 전해질의 밀착성이 떨어져 불연속 계면을 형성한다. 이렇게 되면 배터리 성능을 저하시키는 내부의 저항이 증가하게 한다. 따라서, 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서의 저항을 최소화해야 하는 기술적 과제를 해결해야 하는 상황이다.

또 고체전해질은 액체 전해질보다 상온(15~25℃)에서는 이온전도도가 낮은 특성이 있다. 그 때문에 상온에서 작동이 필요한 스마트폰과 같은 IT기기에 적용하기 쉽지 않다. 따라서 상용화가 되면 주변 온도 제어가 가능한 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 분야에 우선 적용될 것으로 바라보고 있다.

l ‘꿈의 배터리’ 향한 K-배터리 3사의 치열한 경쟁

급속도로 커지고 있는 배터리 시장 내 전고체 배터리 기술은 연구개발 초기단계지만, 향후 전기차 시장의 ‘게임 체인저’로 기대하고 있다. 한국과학기술정보원구원(KIST) ASTI 마켓 인사이트에 따르면, 세계 전고체 배터리 시장규모는 2020년 약 6,160만 달러에서 연평균 34.2%의 높을 성장률을 나타내 2027년 약 4억 8.250만 달러의 큰 시장을 형성할 것으로 전망하고 있다.

이런 시장의 움직임을 감지한 배터리 제조업체들은 국내외 주요 대학·연구기관 등과 손을 맞잡으면서 전고체 배터리 개발에 속도를 내고 있다. 리튬이온 배터리의 경우 K-배터리의 기술력이 상대적으로 앞서있지만, 전고체 배터리 등 차세대 분야에서는 독자적으로 연구하기엔 큰 부담이 따르기 때문에 세계적인 연구진과 함께 R&D 투자를 적극적으로 추진하고 있다.

업계에서 유일하게 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 모두 개발 중인 LG에너지솔루션은 2026년 고분자계, 2030년 황화물계 배터리를 각각 상용화한다는 목표다. 삼성SDI와 SK온은 2027년과 2030년 각각 황화물계 배터리 상용화를 계획하고 있다.

l 포스코, 전고체 배터리 시장 정조준

포스코는 올해 산화물계 전고체 배터리 업체 프롤로지움(Prologium) 지분 투자, 황화물계 고체전해질 생산 본격화 등 차세대 이차전지소재 분야 사업 포트폴리오 강화에 나서고 있다.

프롤로지움은 2006년 대만에서 설립된 세계 최초의 전고체 배터리 제조기업으로, 현재 독일의 다임러그룹 등 주요 완성차업체와 함께 전기차용 전고체 배터리를 공동 개발하고 있다. 포스코홀딩스는 프롤로지움과 협력해 및 핵심소재인 전고체 배터리 전용 양극재와 실리콘 음극재, 고체전해질 공동개발 및 글로벌 공급 체계를 구축할 방침이다.

또 포스코그룹은 올해 10월 포스코JK솔리드솔루션*의 고체전해질 생산공장을 준공했다. 이번 준공을 통해 연산 24톤 규모의 고체전해질 생산라인을 갖추게 됐다. 이는 전기차 약 1,000대 분량으로, 아직 극초기 단계인 고체전해질 시장에선 국내 최대 규모다.
*포스코JK솔리드솔루션 : 2022년 2월 포스코홀딩스가 국내 최고 수준의 고체전해질 기술을 보유한 정관(JK)과 함께 설립한 합작법인.

고체전해질 사업은 포스코그룹의 대표적인 미래 소재사업이다. 포스코JK솔리드솔루션 공장 준공을 발판 삼아, 생산규모를 수천 톤 급으로 확대해 차세대 이차전지소재 시장을 선점할 계획이다. 현재 주류를 이루고 있는 리튬이온전지뿐 아니라 전고체 배터리까지 밸류체인을 확장해 전기차 소재 시장을 선점한다는 전략이다. 미래를 저장할 배터리 기술, Post LiB 시대가 열리는 그날까지 포스코의 노력은 계속될 것이다.