전고체 배터리의 대중화, 해결해야 할 과제는 무엇인가?

최근 현대자동차가 3월 중 전고체 배터리 시제품을 공개할 계획을 발표하며 관심을 모으고 있다. 현대차는 경기도 의왕시에 구축한 신규 연구소에서 파일럿 생산 라인을 가동해 전고체 배터리 개발에 속도를 내고 있으며, 2030년을 목표로 양산 체제를 갖추겠다는 전략이다. 전고체 배터리는 전기차의 성능과 효율성을 획기적으로 개선할 수 있는 '꿈의 배터리'로 불리지만, 상용화까지는 여전히 많은 과제가 남아 있다.

글 / 원선웅 (글로벌오토뉴스 기자)

전고체 배터리 기술은 지난 20년 동안 전기차 시장의 판도를 바꿀 핵심 기술로 주목받아 왔다. 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 배터리와 달리, 고체 전해질을 적용해 안정성과 에너지 효율을 동시에 확보할 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 이론적으로는 같은 크기의 배터리 팩에 더 많은 에너지를 저장할 수 있고, 충전 속도도 획기적으로 빨라진다. 그러나 기대가 큰 만큼 해결해야할 과제도 만만치 않다.



우선, 대량 생산을 위한 공정 혁신이 필수적이다. 기존 리튬이온 배터리 생산 설비를 그대로 전고체 배터리에 적용할 수 없기 때문이다. 미국 국립과학재단(NSF)은 전고체 배터리 생산을 위해 전극 제조, 셀 조립, 성능 테스트 등 전 과정의 설비를 전면적으로 재설계해야 한다고 지적했다. 이는 단순히 새로운 배터리를 개발하는 기술적 도전이 아니라, 배터리 제조 인프라 전반을 재구성해야 하는 산업적 도전이기도 하다.

이 같은 상황에서 글로벌 완성차 업체들은 고체 전지 상용화를 위한 파트너십을 강화하고 있다. 미국 매사추세츠에 본사를 둔 배터리 스타트업 '팩토리얼 에너지'는 메르세데스-벤츠, 스텔란티스, 현대차그룹과 손잡고 고체 전지를 공동 개발하고 있다. 이 회사는 지난해 450Wh/kg의 에너지 밀도를 구현한 '솔리스티스(Solstice)' 고체 전지를 공개하며 주목받았다. 현재 상용화된 리튬이온 배터리의 에너지 밀도가 300Wh/kg 미만인 점을 감안하면, 상당한 기술적 성과다.



중국 전기차 업체 니오(NIO)도 지난해 150kWh 반고체 배터리를 장착한 ET7 모델로 892km 주행거리를 기록하며 기술력을 입증했다. 또한 미국 퀀텀스케이프는 폭스바겐과 협력해 고체 전지의 산업화를 추진 중이며, 토요타와 혼다 역시 일본 내 자체 연구소를 중심으로 고체 전지 개발에 나섰다.



그렇다면 전고체 배터리의 대중화는 언제쯤 가능할까? 전문가들은 2030년을 전후해 상용화의 물꼬가 트일 것으로 보고 있다. 고체 전지는 현재 전기차 시장의 주요 난제인 주행거리, 충전 시간, 안전성 문제를 모두 해결할 수 있는 잠재력을 지녔다. 고체 전해질은 액체 전해질보다 열 안정성이 뛰어나 화재 발생 가능성을 낮추며, 충전 속도 역시 기존 대비 두 배 이상 빠르게 단축할 수 있다.

그러나 해결해야 할 과제도 적지 않다. 고체 전지는 제조 과정에서 극도의 정밀성을 요구한다. 전극과 전해질이 완벽하게 접합되지 않으면 성능 저하나 수명 단축으로 이어질 수 있기 때문이다. 팩토리얼 에너지의 CEO는 '파일럿 라인에서 85%의 생산 수율을 달성했지만, 양산 단계에서는 최소 95% 이상의 수율이 필요하다'고 밝히기도 했다. 즉, 기술 개발이 아닌 제조 공정 혁신이 고체 전지 상용화의 마지막 열쇠라는 의미다.



전고체 배터리 상용화는 단순히 전기차 성능 개선에 그치지 않는다. EV 기술이 내연기관차와 경쟁력을 갖추고, 더 나아가 이를 넘어설 수 있는 분기점이 될 수 있다. 주행거리 960km 이상, 충전 시간 10분 이내, 화재 위험 '제로'라는 전고체 전지가 약속하는 미래가 결코 허황된 꿈만은 아니다. 현대차가 이번 3월 공개할 전고체 배터리 시제품이 그 가능성을 증명해 보일 수 있을지에도 이목이 집중되고 있다.

또한 전고체 배터리의 대중화는 전기차 산업을 넘어 다양한 산업 분야로 확산될 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 예를 들어, 전력 저장 장치(ESS) 분야에서도 고체 전지를 활용하면 에너지 저장 효율을 극대화하고 화재 위험을 최소화할 수 있다. 태양광 및 풍력 발전과 같은 신재생에너지 인프라에서도 안정적 전력 공급을 위한 핵심 기술로 자리 잡을 수 있을 것이다.



자동차 업계는 전고체 배터리의 상용화가 전기차 시장의 판도를 근본적으로 바꿀 수 있다고 기대한다. 특히, 에너지 밀도의 향상으로 인해 대형 SUV나 픽업트럭과 같은 고성능 차량의 전동화도 더욱 가속화될 전망이다. 실제로 미국의 리커런트(Recurrent) 데이터 분석에 따르면, 전고체 배터리를 통해 차량 무게를 200~300kg 줄일 수 있고, 이를 통해 차량의 전반적인 효율이 개선될 수 있다고 한다.

하지만 전고체 배터리의 원자재 공급망 구축과 비용 절감은 여전히 큰 숙제로 남아 있다. 리튬, 니켈, 코발트 등 핵심 소재의 안정적 확보는 향후 배터리 제조사와 완성차 업체들의 성패를 가를 중요한 요인이 될 것이다. 이러한 도전 과제를 극복하기 위해, 일부 기업들은 원자재 확보를 위한 장기 계약을 체결하거나, 리사이클링 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

결국 전고체 배터리의 대중화는 단기간에 이루어지기 어렵지만, 기술 발전과 생산 혁신이 맞물리면서 점진적으로 현실화될 가능성이 크다. 현대차를 비롯한 글로벌 완성차 기업들의 기술 경쟁이 한층 치열해지는 가운데, '꿈의 배터리'가 실험실을 벗어나 일상의 도로를 누비는 날이 머지않아 다가올 것으로 기대된다.​
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