라이벌 구도로 본 '전고체배터리' 미래…표준전쟁 승자는

황화물·산화물·폴리머계 3파전

세계 54개 기업, 전고체 개발 중
기술적으론 황화물계 가장 앞서
삼성SDI·LG엔솔 상용화에 속도

美 퀀텀스케이프, 산화물계 두각
일각선 서로 공존 가능성에 무게

한 시대를 풍미했던 기술들은 모두 라이벌이 있었다. 지금은 추억의 물건이 된 비디오테이프는 1970년대 일본 소니와 일본 JVC의 경쟁 끝에 JVC의 VHS가 표준이 됐다. 19세기에는 전기의 표준을 잡기 위한 니콜라 테슬라와 토머스 에디슨의 경쟁이 있었다.

지금 치열하게 표준 전쟁이 벌어지고 있는 분야가 바로 배터리다. 최근 전고체배터리 기술이 빠르게 올라오면서 배터리의 형태, 재료까지 모두 새롭게 경쟁해야 하는 상황이 도래했다. 전고체배터리는 100% 고체로 이뤄진 전지다. 우리가 흔히 알고 있는 충·방전이 가능한 2차전지는 리튬이온전지다. 리튬이온전지는 양극과 음극, 분리막 그리고 액체 전해질로 구성된다. 그런데 전고체배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 들어간다.

전해질이 고체가 되면 많은 변화가 생긴다. 우선 리튬이온전지의 최대 약점인 안전성 문제가 한 번에 해결된다. 충전량, 충전 속도도 획기적으로 개선된다. 겨울철이면 급격히 효율성이 떨어지는 2차전지의 온도 문제도 해결할 수 있다. 장점이 많다 보니 전고체배터리는 기존의 표준인 액체 전해질 기반 리튬이온배터리를 위협하는 경쟁자로 부상했다. 하지만 전고체배터리는 이온전도도가 낮다는 치명적 단점이 존재한다. 게다가 배터리 수명이 길지 않다. 그러다 보니 액체 전해질을 사용하면서 양극과 음극 소재를 개선해 문제를 해결하려는 움직임도 나온다.

전고체배터리 표준 경쟁은 고체 전해질 재료 부문에서도 매우 치열하게 진행 중이다. 고체 전해질 재료는 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계가 있다. 황화물계의 가장 큰 장점은 이온전도도가 높다는 것이다. 또 황화물은 연성이 있어서 전극과 전해질 간 접촉이 비교적 쉽다는 점도 다른 재료를 압도하는 이유다. 하지만 황 자체가 물과 반응하면 황화수소라는 유독가스가 발생해 제조 과정에서 독성물질이 나올 수 있다는 단점도 존재한다.

산화물계는 황화물계가 가진 안전성 문제를 해결할 수 있다. 하지만 황화물과 달리 연성이 없어서 전해질과 전극의 접촉이 어렵다. 그래서 산화물계 전고체배터리에는 1000도 이상의 고온소결 과정이 들어가야 한다. 폴리머계는 산화물계와 황화물계를 섞어 사용하는 하이브리드 형태로 주목받고 있다.

업계에 따르면 전고체배터리 연구를 진행 중인 글로벌 기업은 총 54개사다. 기술적으로 가장 앞서가고 있는 분야는 황화물계다. 특히 일본이 이 분야에 상당한 기술력을 보유하고 있다. 도요타는 2000년대 초반부터 황화물계 기반 전고체 전지 연구를 시작했고 2000여 건의 관련 특허를 보유하고 있다. 미국에서는 솔리드파워가 황화물 기반 전고체배터리를 개발하고 있고, 국내에서는 삼성SDI와 LG에너지솔루션이 황화물계 상용화를 목표로 개발에 속도를 내고 있다. 산화물계 대표 주자는 미국의 퀀텀스케이프다. 글로벌 자동차업체 폭스바겐과 빌 게이츠 마이크로소프트 창업자가 투자한 곳으로 유명하다.

투자와 제휴를 통해 배터리 표준 전쟁을 준비하는 기업도 있다. 현대차는 미국 전고체배터리 업체 솔리드에너지시스템(SES)과 솔리드파워에 투자했다. 솔리드에너지시스템은 SK로부터도 투자 유치를 받은 적이 있다. 포스코는 대만의 프롤로지움과 손잡고 전고체배터리를 준비하고 있다. 국내 스타트업 중에선 솔리비스가 황화물계 기반 전고체전해질을 개발하고 있고, 티디엘은 산화물계 기반 전고체배터리 양산체제를 구축한 것으로 알려졌다.

전고체배터리 분야 석학인 간노 료지 일본 도쿄공업대 교수는 한 언론과의 인터뷰에서 “산화물계는 작은 칩형의 웨어러블기기에, 황화물계는 전기차 등에 사용될 것”이라고 밝힌 바 있다. VHS가 베타맥스를 100% 대체했던 것과 달리 산화물과 황화물은 각기 알맞은 분야에서 공존할 가능성이 높다는 뜻이다. 액체 전해질 기반 배터리도 안전성을 확보하기 위한 신기술이 지속해서 개발 중이니 이번 표준 전쟁은 단숨에 승자가 독식하는 구조가 아니라 공존을 유지하며 서서히 변해가는 형태가 될 가능성이 높다. 표준을 잡아가는 배터리 기술을 살펴보면 보다 빨리 다가올 미래를 그릴 수 있지 않을까.

김태호 유비쿼스인베스트먼트 팀장