산업통상자원부가 올해부터 2028년까지 총 358억원을 투입해 소형 웨어러블 기기용 고분자계 전고체 배터리 개발에 나선다. 이에 따라 현재 개발 중인 산화물계·황화물계 전고체 배터리 와 함께 차세대 배터리 기술의 3대 축 구축이 본궤도에 오르게 됐다.

고체 전해질을 기반으로 한 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 화재 위험이 낮고 에너지 밀도가 높아, 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 주요 개발 참여기관은 아모그린텍, 충남대학교, 한국광기술원으로, 스마트워치, VR 헤드셋, 스마트링 등에 적합한 경량·고안전·고에너지밀도 배터리 개발이 목표다. 
 
산업부는 현재 산화물계와 황화물계 전고체 배터리 기술 개발도 진행 중이다. 산화물계 배터리의 경우 2023년부터 2026년까지 294억원을 들여, 기판실장용 초소형 적층 세라믹 전고체 배터리를 개발하는 것이다. 이 배터리는 전자기기의 보조 전원으로 사용돼, 주 전원 배터리의 전력 부하를 줄여 사용 시간을 늘릴 수 있다. 

중대형 배터리에 적합한 황화물계 전고체 배터리는 2024년부터 2028년까지 총 1172억원을 투입하는 프로젝트다. 황화물계 배터리 기술 개발은 전기차 주행거리 1000km 달성 등 고성능 상용화를 목표로 하고 있다. 산업부 관계자는 "산화물계는 현재 중간 단계, 황화물계는 이제 막 초기 단계로 접어든 시점"이라며 "두 과제 모두 시제품 수준의 성능 검증을 목표로 하고 있다"고 밝혔다. 

정부의 지원이 본격화함에 따라 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 국내 배터리 3사의 기술 개발도 힘을 받을 전망이다. 

◆ 삼성SDI, 황화물계 2027년 양산 목표”... 샘플 생산 중
전고체 배터리 분야에서 선두주자로 꼽히는 삼성SDI는 현재 황화물계 배터리 개발에 집중하고 있다. 2027년 하반기 양산을 목표로 수원 연구소 내 파일럿 라인에서 샘플을 생산 중이고, 고객들과 제품 성능에 대한 협의를 진행하고 있는 것으로 알려졌다.

삼성SDI 관계자는 "현재 수원 내 파일럿 라인에서 샘플을 생산해 고객사에 제출하고 테스트를 받는 단계”라고 설명했다. 정부가 추진 중인 전고체 배터리 개발 사업과 연계 여부에 대해서는 “정확한 협력 여부를 파악하기 어려운 상황이고, 전고체 관련 내용 자체가 보안 사항이 많다”고 말했다.

전고체 배터리 관련 투자도 일부 진행 중이다. 삼성SDI는 최근 유상증자를 통해 조달한 자금 중 일부를 전고체 배터리 생산라인 구축에도 활용할 예정이라고 밝혔다. 삼성SDI 관계자는 “유상증자 금액 전체가 전고체 배터리에 투입되는 것은 아니며, GM과의 미국 합작법인 설립 및 헝가리 공장 증설, LFP(리튬인산철) 배터리 투자 등과 병행해 사용된다”고 설명했다.

◆LG에너지솔루션도 황화물계에 집중…2030년 양산 목표
LG에너지솔루션도 황화물계 전해질을 중심으로 기술 개발에 속도를 내고 있다. 오는 2030년 양산 체제를 구축하는 것이 목표다. 

LG에너지솔루션 관계자는 "산화물계와 고분자계 전해질에 대한 연구도 일부 병행했지만, 현재는 황화물계가 개발의 중심"이라며 "고분자계 전해질은 현재 별도 개발하고 있지 않다"고 밝혔다. 정부 사업 참여 여부에 대해서는 "정부 주도 개발사업에 일부 참여하는 인력이 있을 것으로 예상되나 구체적인 확인이 어려운 상황"이라고 말했다. 

지난 2월에는 LG에너지솔루션과 전고체전지 연구 분야의 세계적 석학인 시카고대학교 셜리 멍 교수가 전고체전지의 충전속도 및 안전성을 대폭 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 회사 측에 따르면 얇은 실리콘 층을 도입해 리튬 금속의 결정 성장을 제어하고 균일한 전착을 유도하는 기술을 개발해  충전 속도를 10배 이상 높이고 안전성을 개선했다. LG에너지솔루션은 이번 성과를 바탕으로 음극재가 없는 무음극 전고체전지 개발에도 속도를 낼 계획이다.

◆ SK온, 고분자·산화물과 황화물계 병행…"양산까지 5년"
SK온은 고분자·산화물 복합계와 황화물계 두 가지 노선을 병행하며, 각각 2028년과 2030년 양산을 목표로 상용화 로드맵을 제시했다. 현재 대전 배터리연구원에 전고체 배터리 파일럿 라인  준공을 앞두고 있다. 올해 중 황화물계 전고체 배터리 파일럿 라인을 완공한 뒤, 2026년에는 시제품을 출시하고, 2029년 상용화 시제품, 2030년 본격 양산에 나선다는 계획이다. 고분자·산화물 복합계 배터리 역시 올해 시제품 개발을 완료하고, 2026~2027년 파일럿 제품 개발을 거쳐 2028년 상용화를 추진 중이다. 이 경우도 아직 상용화용 생산 공장은 확정되지 않았다. 전고체 배터리 기술 협력기관으로는 한양대학교를 비롯해 미국 솔리드파워, 사이온파워 등 글로벌 파트너사들과의 협력이 활발히 이뤄지고 있다. 정부 주도 개발 과제 참여 여부는 구체적으로 확인되지 않았다.

SK온 최근 한양대학교 김동원 교수팀과 함께 황화물계 전고체 전지의 수명을 높이는 연구에 성공했다. 리튬 메탈 음극 표면에 보호막을 형성해 배터리의 안전성과 수명을 끌어올리는 방식으로 국내외 특허 출원을 완료했다. SK온은 전고체 배터리의 짧은 수명 문제를 해결하기 위해 리튬 메탈 음극을 특수 용액에 담가 무기물을 제거하고 전도성이 높은 리튬나이트라이드와 기계적 강도가 높은 리튬옥사이드 기반 보호막을 형성시켰다. 

이어 연세대학교 박종혁 교수팀과 함께 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명했다. SK온은 해당 연구에서 양자역학 밀도 범함수 이론 계산을 통해 초기 충전 단계에서 양극 표면 보호층의 부반응으로 인해 양극 성능이 저하되는 원인과 과정을 밝혀냈다고 전했다. 이번 연구 성과를 토대로 고분자 산화물 복합계 배터리 수명 향상에 기여할 것으로 예상된다.