전고체 배터리가 기술적·경제적 과제를 극복하기 위해 필요한 연구 방향과 산업적 전략은 무엇인가요?

Question

전고체 배터리는 높은 기대를 받고 있지만, 제조 비용, 전해질과 전극의 계면 저항 문제, 대량 생산 기술 부족 등 여러 난제가 존재합니다. 이러한 기술적·경제적 과제를 극복하기 위해 필요한 연구 방향과 산업적 전략은 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

전고체 배터리가 가진 잠재력을 시장에서 실현하기 위해서는 고체 전해질의 물리적 특성에서 기인하는 기술적 한계와, 기존 리튬이온 공정을 재편해야 하는 경제적 과제를 동시에 해결해야 합니다.

​가장 핵심적인 기술 과제는 고체와 고체 물질이 만나는 계면에서의 저항을 낮추는 것입니다. 액체 전해질은 전극 표면에 틈새 없이 스며들지만, 고체 전해질은 입자 간의 접촉 면적이 제한적이어서 이온이 이동할 때 강한 저항을 받습니다. 이를 극복하기 위해 전극 활물질 표면을 나노 단위의 박막으로 코팅하여 부반응을 줄이는 기술과, 고체 전해질과 전극을 일체화하는 공정 연구가 진행되고 있습니다. 또한 고온·고압을 가해 이온 전도도를 높이는 소결 기술을 고도화하거나, 유연성이 있는 고분자(폴리머) 계열과 전도도가 높은 황화물계 소재를 혼합한 복합 전해질 개발도 주요 연구 방향입니다.

​경제적·산업적 측면에서는 대량 생산 공정의 확보와 공급망 구축이 필수적입니다. 현재 주목받는 황화물계 전고체 배터리는 수분에 극도로 취약하여 공기 중의 수분과 반응하면 유독한 황화수소 가스를 발생시킵니다. 따라서 생산 라인 전체에 초저이슬점 배어드라이룸 시스템을 구축해야 하므로 초기 설비 투자 비용이 막대합니다. 이를 해결하기 위해 수분 안정성을 높인 전해질 조성 연구가 병행되어야 합니다.

​산업적 전략으로는 기존 리튬이온 배터리의 생산 인프라를 최대한 활용하는 하이브리드 공정 전환이 요구됩니다. 완전히 새로운 장비를 도입하기보다는 기존의 전극 제조 공정이나 조립 라인을 일부 개조하여 사용할 수 있는 기술을 개발해야 초기 투자 리스크를 줄일 수 있습니다. 아울러 핵심 원료인 황화리튬 등의 단가를 낮추기 위해 소재 기업과 배터리 제조사 간의 긴밀한 공급망 협력 생태계를 조기에 조성하는 것이 상용화 시점을 앞당기는 관건입니다.

Answer 2

안녕하세요.

전고체 배터리가 차세대 에너지 저장 기술로 주목받는 이유는 높은 에너지 밀도, 향상된 안전성, 리튬 금속 음극 적용 가능성 등 기존 리튬이온전지의 한계를 넘어설 잠재력이 있기 때문입니다. 하지만 실제 산업 현장에서는 아직 해결해야 할 기술적, 경제적 장벽이 많다보니 현재는 대규모 상용화 단계로 넘어가는 과도기에 있다고 볼 수 있습니다.

가장 중요한 기술적 과제 중 하나는 전해질과 전극 사이의 계면 문제인데요, 기존 액체 전해질은 액체 특성 덕분에 전극 표면의 미세한 틈을 자연스럽게 채우며 넓은 접촉 면적을 형성할 수 있습니다. 하지만 고체 전해질은 단단한 고체이기 때문에 전극과 완벽히 밀착되기 어렵다보니 계면 저항이 증가하고 리튬 이온 이동이 방해받아 출력 저하와 충전 속도 감소가 발생합니다. 따라서 연구 방향은 전극과 화학적으로 안정하면서도 기계적으로 유연한 계면층을 설계하는 방향으로 확대되고 있는데요, 예를 들자면 계면에 얇은 코팅층이나 완충층을 삽입해 화학 반응을 줄이고 접촉성을 개선하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 경제적 측면에서는 제조 비용 절감이 핵심이라고 할 수 있는데요, 현재 전고체 배터리는 고순도 재료 사용, 정밀 적층 공정, 수분 차단 환경 등으로 인해 생산 비용이 매우 높습니다. 특히 일부 황화물계 전해질은 제조 과정에서 엄격한 건조 환경이 필요해 공정 비용이 크게 증가하기 때문에, 산업적으로는 기존 리튬이온전지 생산 라인을 최대한 활용할 수 있는 공정 호환성이 중요합니다. 또한 이때 완전히 새로운 공장을 짓는 방식보다는 기존 설비를 개조해 전고체 셀을 생산할 수 있도록 하는 전략이 경제성 확보에 유리합니다. 감사합니다.