▲ 액체 전해질과 고체 전해질 기반 리튬이온 배터리 비교

고체 전해질 기반의 차세대 리튬이온 배터리인 전고체 배터리가 2027년 소형 제품을 시작으로 양산을 시작하고 2030년 이후 전기차 등 모빌리티에 본격 적용될 전망이다.

한국자동차연구원은 27일 발표한 ‘전고체 리튬이온 배터리의 가능성’ 보고서를 통해 전고체 배터리가 현존 리튬이온 배터리의 한계를 극복할 핵심 기술로 주목받고 있으며, 장기적으로 산업 전반의 전동화 확산을 촉진할 수 있다고 밝혔다.

현행 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 낮은 자기 방전율, 긴 사이클 수명 등 강점을 갖추고 있어 90년대에 사용화된 이후 많은 산업의 변화를 이끌어냈으나, 액체 전해질 사용으로 인한 열 안정성 문제와 리튬금속 음극 적용의 제한 등 구조적 한계를 지니고 있다.

액체 전해질 기반 배터리는 가연성 유기 용매를 사용하기 때문에 열폭주와 부반응 가능성이 있으며, 이로 인해 에너지 밀도의 극적 향상을 기대하기 어렵다.

이러한 한계를 극복하기 위해 고체 전해질을 활용한 전고체 배터리 연구가 본격화됐고, 최근 주요 배터리 기업과외 도요타, 닛산, 폭스바겐 등 완성차 제조사들이 개발 경쟁에 참여하며 상용화 가능성이 크게 높아졌다.

전고체 배터리는 고체 전해질 덕분에 리튬금속 음극 사용이 가능하고, 고전압·고에너지 밀도 구현에도 유리하다. 기존 배터리와 달리 셀을 개별 밀폐하지 않아도 되며, 전극과 전해질을 직접 적층하는 바이폴라 구조 구현이 가능하다. 또 비가연성 고체 전해질을 사용해 열 안정성이 높고 외부 충격에도 발화 위험이 상대적으로 낮아 적용 범위를 넓힐 수 있다.

고체 전해질 후보로는 황화물계, 산화물계, 고분자계가 있으며, 각기 다른 특성과 장단점을 갖는다. 특히 황화물계는 성능 면에서 우위를 보이지만 양산 난이도가 높아, 산화물계나 고분자계와의 조합을 통해 균형 잡힌 특성을 확보하는 연구가 이뤄지고 있다.

그러나 전고체 배터리 상용화를 위해서는 수명과 제조 공정 개선, 대안 기술이라는 도전 요인이 존재한다. 현재 시제품의 충·방전 수명은 1,000회 미만으로, 전기차 적용 기준인 2,000회 이상에는 미치지 못한다.

또한 고체 전해질 기반 배터리 생산에는 원료 가공과 셀 제조를 포함한 전용 공정 기술이 필요하며, 양산 경제성을 확보할 방안은 아직 명확하지 않다. 여기에 액체 전해질 기반 차세대 배터리의 조기 상용화 가능성은 전고체 배터리 우위 확보에 변수로 작용할 수 있다.

전고체 배터리는 모빌리티 전반의 전동화를 촉진할 수 있다. 액체 전해질 기반 배터리가 전기차 시장 창출에 기여했지만, 소비자 입장에서는 주행거리와 충전 시간 문제로 내연기관차 선호가 여전하다.

Deloitte(2025)에 따르면, 중국을 제외한 주요국에서 전기차(BEV) 구매 의향은 전체의 5~14%에 불과하다. 전고체 배터리는 이러한 한계를 극복하며 전기차 수용성을 높이고, 산업용 차량과 항공 모빌리티 등 현존 배터리 적용이 제한된 이동 수단의 전동화 가능성을 열어준다.

전고체 배터리 개발을 지원하는 국가적 투자와 산업 전략도 활발하다. 한국은 민·관 합작 R&D 체제를 통해 전기차 및 ESS에 적용 가능한 고출력·고안정성 전고체 배터리 셀 개발에 나섰고, 2030년까지 마더팩토리 구축 계획을 발표했다.

중국은 중앙·지방 정부의 산업 지원책과 기술 표준화 작업을 통해 전고체 배터리 실증 단계에 진입했으며, 일본은 도요타, 파나소닉, NEDO 등과 민관 협력형 플랫폼 Solid-NEXT를 통해 전주기 실증연구를 수행하고 있다.

보고서는 업계 로드맵을 근거로 2027~2028년 소형 전고체 배터리 소량 양산이 가능하며, 차량 적용은 2030년 이후가 될 것으로 전망했다. 완성차 검증 과정과 탑재 비용 대비 성능 평가를 고려하면, 초기에는 소형 가전제품 적용 후 차량 적용으로 확대될 것으로 판단된다. Tesla가 새로운 배터리 폼팩터를 공개하고 실제 적용하기까지 2년 이상 걸린 사례를 감안하면, 전고체 배터리 전기차 탑재는 이보다 더 장기간 소요될 수 있다.

또한 보고서는 전고체 배터리가 성능과 경제성에서 총체적 우위를 확보하기 위해서는 규모의 경제 달성이 필수적이라고 설명했다. 현재 제조 비용은 액체 전해질 기반 리튬이온 배터리 대비 3~5배 높지만, 2030년대에는 규모의 경제를 통해 비용 등가가 가능할 것으로 예상된다. 다만 현존 리튬이온 배터리 성능·경제성이 급격히 개선될 경우 전고체 배터리 보편화 시점은 더 늦춰질 가능성도 있다.

결국 전고체 배터리는 기술적 혁신과 산업 전동화 촉진, 전기차 및 모빌리티 시장 확대의 핵심 열쇠로 자리매김할 것으로 전망되지만, 기존 배터리와 장기간 공존하며 점진적으로 시장 점유율을 확보할 것으로 분석된다.