전기차부터 UAM까지…현실로 다가온 ‘꿈의 배터리’

K-배터리, 전고체 배터리 상용화 속도
미래 항공 모빌리티에는 리튬 금속 계열 배터리 주목
중국은 가격 낮춘 나트륨이온 배터리 내놔

(이투데이DB)

국내 배터리업계가 차세대 배터리 개발을 통한 초격차 기술 확보에 속도를 내고 있다. 전기차·배터리 시장이 맞닥뜨린 ‘캐즘(Chasm·일시적 수요 정체)’을 극복하기 위해서다.

차세대 배터리는 ‘꿈의 배터리’라고도 한다. 아직 상용화되진 않았지만 기존 리튬이온 배터리의 단점을 극복하고 전기차 시장의 도약을 위해 기술 혁신을 이룬 배터리다.

대표적인 차세대 배터리로는 ‘전고체 배터리’가 있다.

전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 물질인 ‘전해질’을 가연성 액체에서 고체로 대체한 배터리다. 고체 전해질 소재로는 고분자계(폴리머), 황화물계, 산화물계 등을 중심으로 연구개발이 진행되고 있다.

액체 전해질을 사용한 배터리는 온도 변화에 민감하고 외부 충격에 취약하다. 전고체 배터리는 이러한 구조적 한계를 모두 뛰어넘는다. 또 액체 전해질이 흐르는 것을 막기 위한 분리막과 안전장치가 필요하지 않아 부피당 에너지 밀도를 높일 수도 있다.

다만 고체 특성상 이온전도도(리튬이온의 이동 속도)가 액체 전해질보다 낮고, 활물질과 고체 전해질 간 계면 저항이 높은 점이 기술적 난제로 꼽힌다.

배터리업계는 전고체 배터리의 성능을 높이기 위한 기술 개발에 박차를 가하는 한편, 양산 계획을 속속 세우고 있다.

전고체 배터리 상용화 속도가 가장 빠를 것으로 예상되는 곳은 삼성SDI다. 지난해 4분기 일부 고객사에 시제품 공급을 마친 삼성SDI는 6일부터 서울 강남구 코엑스에서 열리는 ‘인터배터리 2024’ 전시회에 참가해 구체적인 양산 계획도 밝힐 예정이다.

SK온은 올해 하반기 시제품 양산에 나선다. LG에너지솔루션은 2026년 고분자계, 2030년 황화물계 전고체 배터리 상용화를 시작한다.

배터리는 전기차뿐만 아니라 도심항공교통(UAM), 드론 등 다양한 분야에서 활용된다. 미래 항공 모빌리티에서는 무엇보다 배터리의 무게가 경쟁력의 핵심이다.

또 다른 차세대 배터리로 꼽히는 ‘리튬황 배터리’는 양극재로 황을, 음극재로 리튬 금속을 사용하는 배터리다. 이 소재들은 밀도가 낮고 무게당 용량이 커 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도를 2배 이상 높일 수 있다. 또 니켈, 코발트 등의 값비싼 금속을 사용하지 않아 가격이 저렴하고 친환경적이라는 평가를 받는다.

LG에너지솔루션은 2027년까지 리튬황 배터리를 양산하고 항공 분야로 생태계를 확장하겠다는 방침이다. 앞서 2020년에는 한국항공우주연구원과 함께 국내 최초로 리튬황 배터리를 탑재한 고고도 무인기를 개발해 성층권 최고 고도에서 13시간의 시험 비행에 성공한 바 있다.

중국 배터리 기업들은 리튬 대신 나트륨(소듐)을 사용한 나트륨이온 배터리를 차세대 배터리로 낙점했다. CATL, BYD 등이 개발·생산에 돌입했고, 올해 1월에는 중국 장화이자동차(JAC)가 원통형 나트륨이온 배터리를 탑재한 전기차 판매를 시작했다.

나트륨이온 배터리는 에너지 밀도는 상대적으로 낮지만 전기ㆍ화학적 안전성이 높고 저온에서 성능 저하가 심하지 않은 점이 장점으로 꼽힌다. 리튬 대신 나트륨(소듐)을 사용해 원가 절감 효과도 있다.