▲ 인켐스(주)의 김학수 대표가 ‘전고체전지용 황화물계 고체전해질 제조 기술’에 대해 설명하고 있다.

높은 안전성과 에너지를 자랑하며 차세대 ‘꿈의 배터리’라 불리는 전고체 배터리(전지)의 고체 전해질로 황화물계가 주목 받고 있다. 황화물계의 수분 반응 시 생성되는 독성과 특성 저하 문제를 개선해 상용화 된다면 전고체 전지 자동차 확대를 앞당길 것으로 기대된다.

시장조사전문업체 SNE리서치가 3월 21~22일까지 서울 과학기술회관에서 ‘제1회 넥스트 제너레이션 배터리 세미나(NGBS) 튜토리얼 2024'’를 진행, 리튬이온배터리의 기술 개발 방향에 대해 소개 됐다.

인켐스(주)의 김학수 대표는 ‘전고체 전지용 황화물계 고체전해질 제조 기술’에 대해 발표했다. 리튬이온전지에는 가연성 액체 전해질을 사용하다 보니 배터리를 전기차에 접목시켰을 때 화재 가능성이 있고, 짧은 주행거리와 수명, 급속 충전 등의 한계점이 있다. 그러다보니 안전성과 에너지밀도(주행거리, 경량화) 및 고출력(급속충전) 부문애서 성능이 향상된 배터리에 대한 요구가 확대되면서 전고체 전지가 주목 받게 됐다.

전고체 전지는 양극과 음극사이에서 이온을 전달하는 전해질을 기존 가연성 액체에서 고체로 대체한 배터리를 말한다. 액체의 불안전성 때문에 냉각, 분리막 등의 여러 장치가 필요한데 전고체 전지는 고체 전해질이 사용되기 때문에 양극과 음극 간 접촉을 막는 분리막도 필요가 없다. 대신 그 공간에 더 많은 에너지를 넣어 한 번 충전으로 더 많이 주행 할 수 있다.

김학수 대표는 “전고체 전지는 바이폴라 구조로 전기차에 전고체 전지를 접목시키면 동일 용량의 리튬이온 배터리와 비교해 부피를 4분의 1로 줄일 수 있고, 전기차 주행 거리가 2~3배 더 길다. 또한 고전압의 양극재를 적용할 수 있어 고출력이 가능, 충전 속도도 개선할 수 있으며, 넓은 작동 온도 범위로 겨울철에 사용 해도 문제가 없다”고 설명했다.

시장조사전문기관에 따르면 글로벌 기업들이 전고체 전지 기술 개발에 박차를 가하고 있어 세계 전고체 전지 시장은 2020년부터 2027년까지 연평균 34.2%의 높은 성장률을 나타낼 것으로 전망되고 있다. 반면, SNE리서치는 전고체 전지의 높은 원가 등으로 2030년 글로벌 전기차 배터리 시장에서 전고체 전지 침투율은 4% 정도에 그치며, 약 4.6조원에 이를 것으로 전망했다.

김 대표는 “전고체 전지가 상용화 될 수 있냐는 질문을 많이 받는데 전 세계적인 흐름이 이제 전고체 전지로 가고 있다”며 “전고체 전지는 전기차 1대당 고체전해질 24kg이 적용 되는데, 2030년에 전고체 전해질 수요가 약 7만6천 톤으로 증가할 것이다. 또한 2022년 전고체 전지를 적용한 자동차가 605대에서 2030년에 317만대에 이를 것으로 예측되는데, 이는 2027년에 독일 등 고체전해질 기술 특허가 만료돼 이후로 전기차 및 관련기업들이 전고체 전지를 생산할 것으로 보인다”고 설명했다.

삼성SDI는 지난해 상반기 전고체 전지 라인 셋업을 완료했으며, 도요타는 전고체 전지를 탑재 하는 최초의 시판차를 2027년, 늦어도 2028년 초에는 발매할 계획이라고 밝힌바 있다.

여러 장점들을 자랑하는 전고체 전지지만 전해질이 고체이다 보니 계면 저항이 높고, 전고체를 만드는 출발물질 등의 재료가 아직까지 고가이다 보니 전고체전지 개발은 계면제어 성능을 향상시키고 비용을 절감시킬 수 있는 방향으로 진행중이다.

김 대표는 전고체 전지 기술의 핵심인 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계(폴리머) 중심으로 연구개발이 이뤄지고 있는데, 이 중에서 높은 이온전도도와 기계적 유연성을 자랑하는 황화물계 고체전해질이 가장 유력한 전기차 탑재 전고체전지적용 후보소재라고 소개했다.

황화물계 고체전해질은 공기 중 수분과 반응 시 이온전도도가 낮아지고 뭉침 현상이 발생하고, 유해가스인 황화수소가 생성되는 단점이 있다. 이는 제조 공정에서 취급을 어렵게 하고 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다. 이에 황화물계 전고체 전해질의 상용화를 위해서는 △저가출발물질(황화리튬, Li₂S) △합성방법 최적화 △신규조성화합물 △대기안정형 △고체전해질시트 등을 개발해야 한다고 설명했다.

김 대표는 “황화물계 고체 전해질을 랩 스케일에서 소량 합성할 때는 가스 발생이 크게 문제가 되지 않지만 양산 수준의 경우 위험성이 있기 때문에 고순도, 이온전도도는 물론 대기안정성을 만족시키는 방향으로 발전할 수밖에 없다”고 말했다.

황화리튬(Li2S)은 황화물계 전고체 전해질의 출발물질로 핵심소재 중 하나다. 높은 온도와 에너지 수요, 온실가스 배출, 낮은 수율과 순도 및 공기에 민감한 장비 사용 등을 포함한 기존 생산공정의 여러 문제점들로 인해 엄청난 가격이 상용화의 진행을 더디게 하고 있다. 이에 황화리튬의 고순도 및 저가격화가 필요하다고 설명했다.

인켐스는 황화물계 고체전해질의 단점인 유해가스 문제를 개선한 고체전해질 파일럿(시험) 생산을 시작했다. 김 대표는 “일반적으로 황화물계 고해전해질 수분이 낮은 환경에서 생산해야 해 투자 비용이 증가하는 문제가 있었다”며 “상대습도 20%는 현재 음극 극판 제조 공정의 습도와 유사한 수준으로 리튬이온 배터리 제조 조건에서도 충분히 생산이 가능한 소재에 초점을 맞추고 있다”고 전했다.