전고체 배터리, 대안이 될 것인가

전고체 배터리, 대안이 될 것인가

대학생신재생에너지기자단 28기 남호정

 

계속되는 배터리 폭발로 인한 국가들의 연구 동향 변화

꾸준히 발생하는 배터리 폭발 사고로 인해 안전성이 대두되면서 국가와 기업들의 연구 과제가 바뀌고 있다. 용량을 높이기 위한 것이 1순위였다면 이제는 안정성에 대한 관심이 높아지면서 안전한 차세대배터리에 대한 연구로 전환되었다. 대표적인 차세대 배터리로 언급되는 것이 전고체 배터리이다. 우리나라의 경우 2030년까지 전고체 R&D사업 정부 보조금을 지원하겠다고 밝혔다. 또한, 한국자동차연구원은 전고체 리튬이온배터리가 2023년 이후 전기차에 적용하여 상용화가 가능할 것으로 예상했다. 배터리 기술을 선도하고 있는 중국은 중앙 및 지방 정부가 올해 전고체 배터리 산업 지원책을 발표하고, 기술 표준화 작업을 진행 중이며 일본은 민관 연계형 공동 플랫폼인 ‘솔리드-넥스트‘를 운영하고 있다. 전고체 배터리가 상용화된다면 배터리 시장은 완전히 뒤바뀔 것이며, 3국의 신기술 주도권 경쟁이 치열하다. 이러한 상황에서 현재 가장 주목받고 있는 전고체 배터리의 원리와 상용화를 위해 넘어야 할 과제들을 살펴보겠다.

 

리튬이온 배터리의 구조와 폭발 원인 

스마트폰, 노트북 등 우리가 일상적으로 사용하는 대부분의 전자기기에는 리튬이온배터리가 들어 있다. 리튬이온배터리는 충전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로, 리튬이온이 산화와 환원을 반복하며 에너지를 저장하거나 방출하는 원리로 작동한다. 리튬이온 배터리는 기본적으로 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되어 있다. 충전 시 리튬이온은 양극에서 분리되어 전해질을 통해 다공성 분리막을 통과해 음극으로 이동하며 저장되고, 방전 시에는 반대로 음극에서 양극으로 이동하면서 전류를 발생시킨다. 이때 전해질은 리튬이온의 이동통로로서 핵심적인 역할을 하지만, 대부분 액체 상태의 유기용매로 이루어져 있다. 이러한 유기용매는 인화성이 매우 높아, 열이 가해지면 쉽게 불이 붙는다.

예를 들어, 스마트폰을 고속 충전할 때 기기가 뜨거워지는 것은 배터리 내부의 온도가 급상승하기 때문이다. 이러한 온도 상승이 일정 수준을 넘으면 SEI막(고체전해질계면막)의 분해, 전해질의 열분해, 양극 구조 붕괴가 연쇄적으로 일어나면서 열폭주(thermal runaway)로 이어질 수 있다. 일단 불이 붙으면 유기용매 특성상 화재 진압이 매우 어렵고, 폭발로 이어질 위험이 크다. 실제 지난 대전 국가정보자원관리원에서 발생한 화재를 진압하는데 22시간이 소요다. 따라서 열폭주 제어의 필요성이 커지고 있다.  

 

용량 향상의 한계와 전고체 배터리의 등장 

최근 배터리 산업에서 안전성 문제가 가장 큰 화두로 떠오르고 있지만, 동시에 연구자들이 추구하는 핵심 목표는 여전히 더 큰 용량이다. 배터리 용량이 커야 한 번 충전으로 더 오래 사용할 수 있고, 전기차나 항공 모빌리티 등에서도 실질적인 주행거리 향상이 가능하기 때문이다. 현재 상용 리튬이온배터리의 음극재는 주로 흑연이 사용된다. 하지만 흑연의 이론용량은 제한적이기 때문에, 더 높은 에너지 밀도를 위해 리튬 금속을 음극으로 사용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 리튬 금속은 흑연보다 약 5배 높은 이론용량 3860 mAh/g 을 가지고 있어, 용량 향상에는 매우 유리하다. 그러나 충전 과정에서 리튬 금속이 고르게 석출되지 않고 덴드라이트(dendrite)라는 바늘 모양 결정으로 성장하면, 이 덴드라이트가 분리막을 뚫고 양극과 직접 접촉해 단락과 폭발을 유발할 수 있다. 즉, 용량을 높일수록 배터리 내부의 불안정성이 커지고, 특히 액체 전해질 기반 구조에서는 이러한 현상을 막을 수 없다. 결국 우리가 바라는 ‘고용량이면서도 안전한 배터리’, 즉 ‘꿈의 배터리’를 액체 전해질로는 구현할 수 없다는 한계에 부딪히게 된 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 전고체 배터리이다. 전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리의 액체 전해질과 분리막을 고체 전해질로 대체한 차세대 배터리로, 불이 붙지 않는 비인화성 구조 덕분에 화재와 폭발 위험이 획기적으로 줄어든다. 또한 리튬 덴드라이트의 성장을 물리적으로 억제해 단락을 방지하며 이온 전도 특성이 높은 고체 전해질을 통해 더 높은 용량과 에너지 밀도 구현도 가능하다. 따라서 전고체 배터리는 안전성과 고용량을 동시에 실현할 수 있는 기술로서, 리튬이온 배터리의 근본적 한계를 뛰어넘을 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다.

 

전고체 배터리의 원리와 안전성  

전고체 배터리의 기본 원리는 기존 액체 전해질을 고체 전해질로 대체된 것뿐 기본적으로 음극에서 빠져나온 리튬 이온이 고체 전해질을 통과하여 양극으로 이동하며 방전이 되고 양극에서 리튬 이온이 빠져나와 음극으로 이동하며 충전이 된다. 즉, 액체 전해질을 사용할 때와 기본적인 충방전 메커니즘은 동일하다. 다만 몇 가지 차이점을 가진다. 위 자료를 보면 알 수 있듯, 구조적으로는 4대 요소인 양극, 음극, 분리막, 액체전해질에서 양극, 음극, 고체전해질로 대체된 구조로 구성 소재가 간소화된다. 또한, 음극재의 소재에 차이가 있다. 보통 액체전해질은 흑연을 음극으로 사용하지만, 고체전해질의 경우 리튬 금속을 사용하기 때문에 훨씬 높은 에너지 용량을 가진다. 기존 유기용매를 액체전해질로 사용하던 리튬이온배터리와는 다르게 인화성 물질을 사용하지 않기 때문에 불이 날 위험성이 현저히 낮다. 또한, 고체이기 때문에 더 넓은 온도 영역에서 사용할 수 있다.

 

상용화를 위해 남은 과제와 전망 

전고체 배터리가 안전하다고 알려져 있지만 상용화를 위해 넘어야 할 과제가 존재한다. 먼저 액체 전해질보다 낮은 이온 전도도를 가진다. 이온전도도란 이온이 이동해 전기를 생성하는 능력을 나타낸다. 이는 물성으로 인해 나타나는 특성으로 고체는 고유적으로 액체보다 낮은 값을 가질 수밖에 없다. 다음으로, 경제성의 문제가 존재한다. 고체 전해질 중 가장 높은 전도도를 갖는 황화물계 전해질은 대기나 습기에 노출되면 쉽게 반응하는 특성이 있기 때문에 비활성기체 조건 아래 생산해야 한다. 이러한 특성은 상용화를 위해 대량생산을 할 때, 공정비용이 매우 많이 든다. 따라서 공정 시 수분만 제어하면 되는 액체 전해질 기반 리튬이온배터리 공정비용에 비해 가격 경쟁력이 많이 떨어진다.

이렇듯 상용화를 위한 과제가 많이 남아있지만, 전고체 배터리는 꿈의 배터리라고 불리는 만큼 용량이 높고 안전한 배터리다. 최근 배터리 폭발사고가 이어지는 것뿐만 아니라 우리나라의 배터리 산업이 중국의 압도적인 기술 성장으로 인해 기울어지고 있다. 중국의 전기차 강자인 회사 BYD는 한번 충전으로 1875km를 달리는 전고체 배터리를 테스트 중이라고 따라서 기술 경쟁 시대에 우리나라가 배터리 시장에 생존하기 위해서는 차세대 배터리의 개발 기술이 필수적이다. 안정성과 용량을 다 갖고 있는 전고체배터리의 상용화가 이루어질 수 있도록 정부의 꾸준한 관심이 이어져야만 한다.  

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10월의 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[배터:Reader] 마비된 대한민국과 진실의 배터리, 250926 국정자원 읽기", 26기 강민석, 김대건, 류호용, 27기 조희선, https://iksung.tistory.com/162

2. "빠르게 증가하는 ESS 폐배터리, 더딘 대비가 문제다", 28기 이건혁, https://iksung.tistory.com/133

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참고문헌 

[계속되는 배터리 폭발로 인한 국가들의 연구 동향 변화]

1) 안시욱, 한국경제, "삼성SDI, 전고체 배터리 첫 실증", 2025.11.01., https://n.news.naver.com/article/015/0005205280?sid=101

2) 이근홍, 문화일보, "꿈의 전고체 배터리, 2030년 전기차 탑재 전망", 2025.10.27., https://n.news.naver.com/article/021/0002745407?sid=101

3) 정창명, 이뉴스투데이, "글로벌 배터리 선도도시 포항", 2025.11.02., https://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2348531

[리튬이온 배터리의 구조와 폭발 원인 ] 

1) 강지은, 조선일보, "리튬 배터리 폭발, 화재발생 22시간 만에 완진", 2025.09.29., https://www.chosun.com/national/national_general/2025/09/27/JPIQQJONPVCOJKICDSMGCQMU6A/

2) 오지은, 조성필, 아시아 경제, "리튬이온 배터리, 안전성 논란 재점화… 차세대 기술 개발을", 2025.09.30.,
https://www.asiae.co.kr/article/2025093009305661989 

[용량 향상의 한계와 전고체 배터리의 등장] 

1) 김영준, 전자신문, "KAIST·LG에너지솔루션, 리튬메탈전지 12분 충전 800㎞ 주행 실현...덴드라이트 문제 해결", 2025.09.04., https://www.etnews.com/20250904000120

[전고체 배터리의 원리와 안전성]

1) 김정환, 매일경제, "폭발없는 '꿈의 배터리' 삼성SDI·BMW 동맹", 2025.10.31., https://www.msn.com/ko-kr/news/other/

2) 장지현, 이코노믹리뷰, "꿈의 배터리 전고체 배터리, 빠르면 2030년 車 적용", 2025.10.27., https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=716090

[상용화를 위해 남은 과제와 전망] 

1) 동차승, 뉴스와, "5분 충전에 3,000km까지 간다고? k-배터리 초비상 걸리게한 중국의 속내", 2025.07.14., 
https://www.news-wa.com/article/automobiles/2025/07/14/20250714500015