[2차전지] 전고체 배터리 시장 현황과 기술 발전 동향 이해하기

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'배터리 기술 로드맵 점검'

 

 

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1. 배터리 시장 규모 & 현황

 

전기차 배터리 시장은 2030년까지 향후 10년간 연평균 성장률 34%로 23배 성장할 전망이다. 배터리 형태별로는 올해 각형이 48%, 파우치가 31%, 원형이 21%를 차지해 각형이 우위를 유지하고 있다. 원가를 비교해보면 KWh당 원형이 92달러, 각형이 94달러, 파우치형이 96달러 수준으로, 에너지 밀도가 가장 높고 기술이 성숙한 원형의 원가가 가장 낮다. 

 

배터리 셀 소재를 살펴보면, 재료비로 양극재가 52%를 차지하고 시장 규모도 64%로 가장 큰 규모를 차지하고 있다.

 

 

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2. 배터리 기술의 발전 방향 

 

▶ 배터리의 발전 방향은 크게 5가지다.

 

 

1) 에너지 밀도 향상

2) 수명 향상

3) 고속 충전

4) 원가 절감

5) 부품 수 감소

 

 

에너지 밀도를 높이기 위한 방법으로 양극재는 하이니켈 기술로 진화하고, 음극재는 리튬 메탈, 실리콘을 혼용해 가는 방식을 연구하고 있다. 수명은 이미 정도 수준에 올라온 상태다. 800번 충전&방전이 가능하고, 일회 충전으로 400km를 주행한다고 가정하면 30만 km를 달릴 수 있다.

 

고속 충전이 전기차 대중화의 가장 큰 과제일 수 있다. 에너지 밀도와 고속 충전은 반대 방향의 기술이기 때문이다. 에너지 밀도를 높이면 대신 충전 속도가 느려진다. 두 가지를 병립하려면 소재의 혁신이 필요하다. 원가 감소를 위해서 고용량 소재, 고 로딩 설계, 설 대형화를 , 부품 수를 줄이기 위해서 Cell to Pack(셀투팩. 모듈을 생략하고 바로 셀→팩 조립하는 것), Cell to Chassis(셀투카. 모듈, 팩 모두 생략하고 셀 단위로 바로 차에 실장하는 것) 기술을 개발하고 있다.

 

 

 

 

3. 전고체 배터리 기술 발전

 

위의 5가지 배터리 성능 향상을 위해서는 결국 전고체 배터리를 채택해야 한다. 왜 그럴까?

 

 

전고체 배터리를 사용하면,

 

1) 고전압 양극활물질을 적용하고 적층 가능한 바이폴라 구조를 통해 에너지 밀도를 높일 수 있다.

2) 냉각 장치나 BMS(배터리 관리 장치)가 필요 없어서 팩 부피가 줄어든다.

3) 고체 전해질의 특성상 작동 온도가 넓으면서 겨울에도 높은 이온전도도를 유지할 수 있다.

4) 액체 전해질을 대체해 화재 및 폭발 위험이 없다. 안전성이 담보되기 때문에 음극재에 리튬 메탈을 부담 없이 사용할 수 있다.

 

 

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▶ 전고체 배터리는 전해질 소재에 따라 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머(드라이/겔)로 구분할 수 있다.

 

 

3가지 소재 모두 장단점이 있다.

 

황화물계는 리튬이온전도도가 가장 높고, 전극과 전해질 간 *접촉 계면 형성이 용이하며, 강도와 유연성이 좋은 장점을 가진다. 반면에 공기 중에서 안전성이 취약하고 가스가 발생하는 단점이 있다.

 

산화물계는 리튬이온전도도가 황화물 다음으로 높고, 강도와 안전성이 우수한 장점이 있다. 반면에 접촉 계면 형성뿐 아니라 공정, 셀 대형화 같이 다루는 게 좀 어려운 단점이 있다.

 

폴리머는 기존 리튬전지와 유사해 활용성이 높고, 접촉 계면 형성이 용이하다. 드라이 폴리머는 *Roll-to-Roll 공정이 적용 가능하나, 이온전도도가 낮고 고온에만 작동하는 단점이 있다. 겔 폴리머는 이온전도도가 상대적으로 양호한 반면 강도가 낮은 단점이 있다.

 

 

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접촉계면형성 ↓

접촉 계면 형성은 전극과 전해질 사이가 얼마나 잘 붙어 있는지에 대한 문제다. 액체 전해질을 사용하면 액체 분자가 빈틈없이 전극 계면에 붙어있기 때문에 문제가 없다. 하지만, 전해질을 고체로 쓰는 전고체 배터리에서는 고체 전극과 고체 전해질이 닿는 부분이 잘 접촉되지 않고 미세한 틈이 생길 수 있다. 이는 전지 출력의 저하로 연결된다. 

 

Roll to Roll 공정 ↓

디스플레이 소재, 2차전지, 반도체 분야 쓰이는 롤투롤(Roll to Roll) 공정은 모재를 회전롤에 감으면서 물질을 도포하여 새로운 기능을 부가하는 공법이다.

 

 

 

 

▶ 업체별 전고체 기술 개발 동향을 살펴보면,

 

 

도요타가 황화물계 특허력에서 가장 앞선다. 파나소닉과 JV를 설립했고, 양극재는 Nichia, 음극재는 Hitachi와 협업하고 있다.

 

LG에너지솔루션은 폴리머계 개발에 가장 앞서 있다고 평가받는다.

 

삼성SDI는 2번째로 많은 전고체 특허를 보유하고 있고, 2027년부터 상용화에 나선다는 계획을 갖고 있다.

 

 

전고체 배터리 시장은 2025년경부터 본격적으로 형성될 것으로 전망된다. 초기 시장은 산화물계를 이용해 소형 IT 분야에 먼저 적용될 것이고, 2030년에 가서야 EV 및 ESS가 87%를 차지할 것으로 전망된다. 소재별로는 폴리머가 초기 우위를 점할 전망이다.

 

 

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자세한 내용은 보고서를 직접 참조해보세요!

 

 

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