이온 전도도 77배 고체 전해질 개발, 전고체 배터리 상용화 가속
한국생산기술연구원, 황화물계 소재 성능·안전성 동시 돌파…2029년 양산 레이스 점화
- •KITECH 연구팀이 황화물계 고체 전해질의 이온 전도도를 77배 향상하고 독성 황화수소 배출량을 40% 줄이는 데 성공했다.
- •개발 소재는 리튬 금속 접촉 2,000시간 이상 안정성을 유지하며 한계 전류 밀도도 기존 대비 86% 높아졌다.
- •삼성SDI·LG에너지솔루션이 2029년 전고체 배터리 양산을 목표로 한 가운데, 이번 소재 성과가 양산 일정에 긍정적으로 작용할 가능성이 높다.
2,000시간 버틴 전해질, 전고체 배터리의 벽을 넘다
한국생산기술연구원(KITECH)이 전고체 배터리(All-Solid-State Battery) 상용화의 핵심 걸림돌로 꼽혀 온 황화물계(sulfide-based) 고체 전해질(solid electrolyte)의 이온 전도도(ionic conductivity)를 기존 대비 77배 끌어올리는 데 성공했다. 아울러 공기 중 수분 노출 시 발생하는 유독성 황화수소(H₂S) 배출량을 40% 감축하고, 리튬 금속과 접촉한 상태에서 2,000시간 이상 안정성을 유지하는 데도 성공했다. 연구 결과는 4월 15일 공식 발표됐다.
왜 이 연구가 주목받는가
전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질을 고체로 대체한 차세대 에너지 저장 기술이다. 화재 위험이 거의 없고, 에너지 밀도가 높아 전기차(EV) 업계의 '성배'로 불린다. 그러나 상용화는 두 가지 근본적 장벽에 막혀 있었다.
첫째, 이온 전도도 문제다. 고체 전해질은 리튬이온이 이동하는 통로인데, 기존 황화물계 소재는 이온 전도도가 낮아 충·방전 속도가 느렸다. 둘째, 공기 안정성 문제다. 황화물계 소재는 공기 중 수분에 닿으면 맹독성 황화수소를 방출해 제조 공정에 초고순도 불활성 환경이 필요했다. 이 두 가지 난제가 대규모 양산의 비용을 급격히 높이는 원인이었다.
KITECH 연구팀이 이 두 가지를 단일 소재 개량으로 동시에 해결했다는 점이 이번 성과의 핵심이다.
무엇이 달라졌나 — 소재 설계의 핵심
연구팀을 이끈 김태효 저탄소에너지그룹 수석연구원은 황화물계 고체 전해질 가운데 육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li₆PS₅I)에 주목했다. Li₆PS₅I는 제조 원가가 낮고, 리튬 금속과 접촉 시 아이오딘화 리튬(LiI) 나노 보호층을 자발 형성해 셀 안정성 측면에서 유리한 소재다. 그러나 상대적으로 이온 전도도가 낮고 습기에 취약하다는 단점이 있었다.
연구팀은 Li₆PS₅I에 세 가지 원소를 조합 첨가하는 방식으로 문제를 동시에 해결했다.
- 염소(Cl): 소재 내 원자 배열을 재구성해 리튬이온 이동 경로를 넓히고 이온 전도도를 대폭 개선
- 안티몬(Sb): 수분에 강한 결합 구조 형성 기여
- 산소(O): 안티몬과 함께 소재의 공기 안정성 강화
| 성능 항목 | 기존 Li₆PS₅I | 개발 소재 | 변화 |
|---|---|---|---|
| 이온 전도도 | 기준값 | 기준값 ×77 | +7,600% |
| 황화수소 발생량(습도 30%) | 기준값 | 기준값 ×0.6 | -40% |
| 습도 50%, 24시간 노출 | 진흙 상태로 변형 | 고체 상태 유지 | 안정 |
| 한계 전류 밀도(CCD) | 기준값 | 기준값 ×1.86 | +86% |
| 리튬 금속 접촉 안정성 | 미달 | 2,000시간 이상 | 신규 달성 |
| 충·방전 내구성 | — | 100회 반복 안정 | 신규 달성 |
한계 전류 밀도(Critical Current Density, CCD) 86% 향상은 배터리 내부 합선(단락) 직전까지 버티는 허용 전류치가 그만큼 높아졌다는 의미로, 급속 충전 시나리오에서 안전 마진을 확장한다.
이 흐름은 언제부터 시작됐나 — 전고체 배터리 경쟁의 역사
전고체 배터리 경쟁은 2010년대 초반부터 본격화됐다. 일본 도요타(Toyota)가 2010년대 중반부터 공격적으로 특허를 확보하며 선두로 치고 나왔고, 2021년에는 2025년 시범 양산을 선언했다. 이 발표는 한국·중국 배터리 업체들에 강력한 자극제가 됐다.
한국에서는 삼성SDI와 LG에너지솔루션이 2020년대 초부터 전고체 배터리 연구개발 투자를 대폭 확대했다. 삼성SDI는 2027년 파일럿 라인 가동, 2029년 이전 양산을 목표로 제시했다. LG에너지솔루션 역시 2030년 전후 양산을 예고한 상태다.
소재 측면에서는 세 가지 고체 전해질 후보군이 경쟁 중이다. 산화물계(oxide-based)는 안정성이 높지만 계면 저항이 크고, 폴리머계(polymer-based)는 유연하지만 이온 전도도가 낮다. 황화물계는 이온 전도도와 가공성이 가장 뛰어나 유력 후보로 꼽히지만, 바로 공기 안정성 문제 때문에 대량 생산 진입이 늦어지고 있었다. KITECH의 이번 성과는 이 황화물계의 마지막 장벽을 정면으로 공략한 것이다.
중국에서는 CATL이 2024년 전고체 배터리 개발 현황을 공개하며 2027년 제한적 출하를 예고했다. 글로벌 공급망 재편과 EV 시장 성장이 맞물리면서 전고체 배터리는 단순 기술 경쟁을 넘어 국가 전략 자산으로 격상됐다.
KITECH의 연구는 이 흐름 속에서 소재 원천기술 측면에서 국내 산업계에 중요한 레버리지를 제공하는 위치에 있다.
[전문가 분석] 앞으로 어떻게 될까
상용화 일정에 미치는 영향: 이번 연구 성과는 황화물계 고체 전해질의 공기 안정성 문제를 완화함으로써 제조 공정의 불활성 환경 요구 수준을 낮출 가능성이 높다. 이는 설비 투자비 절감으로 직결될 수 있어 삼성SDI·LG에너지솔루션의 2029년 양산 로드맵 실현에 긍정적으로 작용할 가능성이 높다. 다만 연구소 수준의 소재 성과가 파일럿 양산, 대량 양산으로 이어지는 '죽음의 계곡(valley of death)'을 넘는 데에는 추가적인 공정 최적화 기간이 필요할 가능성이 높다.
국제 경쟁 구도: 도요타와 CATL이 선두권을 형성한 가운데, 한국 연구기관의 원천 소재 성과는 국내 배터리 3사(삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온)가 소재·부품·장비(소부장) 국산화 기반 위에서 기술 격차를 좁히는 데 기여할 가능성이 높다. 특히 황화수소 발생 억제 기술은 제조 환경 규제가 강화되는 유럽 시장에서 차별화 포인트로 부각될 가능성이 있다.
후속 연구 방향: 연구팀은 Li₆PS₅I 기반 소재의 상업화 가능성을 확인했다고 밝혔다. 향후 스케일업(scale-up), 전극 계면 최적화, 실제 배터리 셀 수준 검증이 필요하다. 국내 소부장 기업과의 기술이전 논의가 본격화될 가능성이 높으며, 정부 과제와 연계된 후속 연구도 이어질 가능성이 높다.
투자·시장: 전고체 배터리 소재 관련 기업들에 대한 시장의 관심이 높아지는 계기가 될 가능성이 있다. 황화물계 소재 공급 밸류체인에 위치한 기업들을 중심으로 기술 라이선싱 또는 협업 논의가 활성화될 가능성이 높다.
댓글 (89)
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