LG엔솔 '차세대' 전고체 배터리 난제 풀었다…업계, 기술 개발 속도전(종합)

LG엔솔, 마이크로 실리콘 음극재 적용

상온서 빠른 충전·충방전 500번 이상 가능

日토요타 전고체 탑재 전기차 공개하기도

삼성SDI 2027년·LG엔솔 2030년 양산 전망

[이데일리 경계영 기자] 차세대 배터리(이차전지)로 주목 받는 전고체 배터리 개발에 LG에너지솔루션이 한 발 다가섰다. 상온에서의 빠른 충전과 장(長)수명이 가능한 전고체 배터리를 개발하며 기술 난제를 해결했다.

LG에너지솔루션뿐 아니라 국내 배터리 제조사인 삼성SDI와 SK이노베이션, 일본 토요타 등도 전고체 배터리 시장을 선점하겠다는 목표로 기술 개발에 속도를 내고 있다.

상온 충전·수명 500회 이상…LG엔솔 한계 넘었다

LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고대(UCSD)와의 공동 연구로 상온인 25℃에서도 빠른 속도로 충전 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

이번 연구 논문은 이날 세계 최고 권위의 과학저널 ‘사이언스’(Science)에 실리며 그 성과를 인정 받았다.

전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 간 리튬이온 통로 역할을 하는 전해질을 액체에서 고체로 대체함으로써 현재 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도를 40% 이상 높이고 안전성을 강화해 차세대 배터리로 각광 받는다.

다만 음극을 리튬금속을 적용한 전고체 배터리는 온도에 민감해 60℃ 이상의 고온에서만 충전할 수 있다보니 충전 속도가 더디다는 단점이 있었다.

LG에너지솔루션과 미국 샌디에이고대 연구팀이 개발한 ‘마이크로 실리콘 음극재’. 이 연구 결과는 과학 저널 ‘사이언스’(Science)에 게재됐다. (자료=LG에너지솔루션)

LG에너지솔루션을 비롯한 연구팀은 전고체 배터리의 리튬금속 음극에서 전기가 흐르도록 돕는 첨가제인 도전재와 전극을 안정화하는 바인더를 제거하고 입자 크기가 5㎛ 안팎인 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용했다.

마이크로 실리콘 음극재는 기존 연구에서 쓰이던 100㎚(0.1㎛) 이하의 입자 크기를 가진 나노 실리콘보다도 더 커 저렴하면서도 사용이 용이하다. 실리콘 음극소재는 흑연 음극소재보다 용량이 10배 높아 배터리의 에너지 밀도를 높이지만 충방전 과정에서 부피 변화가 커 적용하기 까다로운 소재로 꼽힌다.

특히 마이크로 실리콘 음극재를 적용한 전고체 배터리는 500번 이상 충전과 방전을 거쳐도 잔존용량이 80% 이상으로 유지됐다. 실리콘 음극소재를 적용한 전고체 배터리 가운데 상온에서 충방전 수명이 500회 이상인 것은 처음이다.

업계에선 LG에너지솔루션이 이번 연구 결과 등을 토대로 2030년 전후로 전고체 배터리를 양산할 것이라고 보고 있다.

토요타, 전기차 시험 단계…덴드라이트 해결한 삼성

전고체 배터리 개발에 뛰어든 것은 LG에너지솔루션만이 아니다. 전고체 배터리 분야에선 토요타가 앞서고 있다. 토요타는 지난 7일 전고체 배터리를 탑재한 콘셉트 전기차를 공개하며 전고체 배터리를 적용한 전기차로 세계 첫 정식 번호판도 받았다고 공개했다.

국내 배터리 제조사 가운데 삼성SDI(006400)가 전고체 배터리 상용화에 가장 가까운 것으로 알려졌다. 삼성SDI는 2023년 휴대폰 등 소형 애플리케이션에 적용할 수 있는 프로토 타입을, 2025년 전기차 등 대형 애플리케이션에 탑재 가능한 프로토 타입을 각각 선보인 이후 2027년 전고체 배터리 대량 양산하겠다는 계획이다. 삼성전자 종합기술원이 전고체 배터리 음극에 은-탄소 나노입자 복합층을 적용한 석출형 리튬음극 기술을 개발하며 덴드라이트(리튬이 음극 표면에 적체돼 쌓이는 현상)을 해결하기도 했다.

SK이노베이션(096770)은 최근 전고체 배터리를 개발할 인재 채용에 나서는 등 차세대 배터리 개발에 착수했다. 2019년 노벨 화학상 수상자인 존 굿이너프 미국 텍사스대 교수와 협업해 리튬금속 기반 전고체 배터리를 내놓겠다는 목표다.