꿈의 배터리에 성큼 토요타···'전고체전지' 핵심 '황화물'의 비밀

日 토요타-이데미쓰코산 맞손···황화물계 전고체전지 개발

'꿈의 배터리' 한일전···고체전해질 핵심 소재 '황화물' 주목

이온전도도 및 에너지밀도 높아···2027년부터 본격 양산

전고체전지를 두고 토요타와 국내 배터리 3사간 경쟁이 치열하다. 그래픽=박혜수 기자

일본의 토요타가 '꿈의 배터리'로 평가되는 전고체 전지 상용화에 한 걸음 앞서갔다. '황화물' 기반의 전고체 전지 핵심 재료를 개발하면서다. 황화물은 전고체 전지의 한계를 극복할 수 있는 핵심 소재로 꼽혀 토요타뿐만 아니라 국내 배터리 3사 모두 개발에 뛰어든 상태다. 전문가들은 전고체전지를 황물계 기반으로 만들면 기존의 한계를 극복할 수 있다고 설명했다.

"전고체 전지 성능·내구성 모두 잡았다"
13일 로이터에 따르면 토요타는 전날 일본 정유회사인 이데미쓰코산과 손잡고 전기차용 전고체 전지 관련 소재 개발을 위해 협력하기로 했다. 양사는 2028년까지 전고체 전지의 성공적인 상용화를 목표로 수십 명 규모의 태스크포스(TF)를 구성했으며 황화물 고체전해질 개발, 대규모 파일럿 설비 준비, 양산 방안 등을 연구할 예정이다.

사토 고지 토요타 최고경영자(CEO)는 "양사는 전고체 전지 상용화의 핵심인 신소재 양산과 고체전해질 공급망 구축을 위해 협업할 것"이라며 "새로운 고체 전해질과 토요타 그룹의 양극재 및 음극재, 배터리 기술을 결합함으로써 우리는 이제 전고체 전지의 성능과 내구성을 모두 달성하는 길에 들어서게 됐다"고 평가했다.

전고체 전지와 관련해 토요타와 이데미쓰코산은 특허 보유 글로벌 1, 3위 기업이며 각각 2006년과 2001년부터 연구개발을 진행해 왔다. 이데미쓰코산은 석유 정제 과정에서 발생하는 부산물을 활용해 고체 전해질 중간물질인 황화리튬 생산 기술을 개발해 왔으며 황화물 고체전해질 대량 생산 기술 개발에도 힘쓰고 있다. 이미 양사는 전고체 전지의 내구성을 강화하는 황화물계 고체 전해질 재료를 개발한 상태다.

키토 슌이치 이데미츠코산 CEO는 "당사는 황화물 기반 고체 전해질이 주행 거리, 충전 시간 등 전기차 배터리 문제에 대한 가장 유망한 솔루션이라고 확신한다"고 강조했다. 이어 "우리는 1990년대 중반에 유황 성분의 유용성을 발견하고 다년간 쌓아온 연구와 기술력을 통해 고체 전해질을 만드는 데 성공했다"고 말했다.

이온전도도 높이는 황화물···K배터리 모두 뛰어들어
전기차는 '액체' 상태의 전해질인 전해액을 사용하는 리튬이온 배터리를 탑재한다. 하지만 전해질을 액체로 사용할 경우 화재 위험성이 높아져 안정성 문제가 가장 큰 단점으로 꼽혀왔다.

배터리 업계에선 전해질을 '고체'로 만들면 내부에 인화성 액체가 없는 만큼 온도 변화에 강하고 고온·고전압에도 견고하게 견딜 수 있어 전기차의 화재 위험성을 줄일 수 있다고 본다. 또 리튬이온 배터리와 비교해 대용량을 구현하기 쉽고 크기는 절반 수준으로 줄일 수 있으며 이온이 더 빠르게 움직여 충전 시간이 단축될 수 있다고 설명한다.

리튬이온전지와 전고체전지 비교 이미지. 사진=한국전기연구원 제공

고체전해질은 재료에 따라 무기계·고분자계 고체전해질로 분류되는데 무기계 중 하나인 황화물계 고체전해질은 전고체 전지를 만드는 핵심 소재로 꼽힌다. 황화물계 고체전해질은 고속 충전을 위해 리튬이온 전달 효율을 높이는 이온전도도가 높은 특징이 있다. 완전 고체전해질을 사용하다 보니 상온에선 이온전도도가 낮은 전고체 전지의 단점을 개선할 수 있는 것이다.

김필수 대림대 미래자동차과 교수는 "현재 개발 중인 전고체전지 중 7~80%가량이 황화물계를 사용하고 있다"며 "황화물계는 다른 소재를 사용했을 때보다 에너지밀도를 높이는 장점이 있다"고 말했다. 이어 "액체를 고체로 바꾼다는 건 양극과 음극 사이를 나누는 분리막이 없다는 뜻인데 고체 상태에서 에너지를 전달하는 특성을 가지려면 황화물계 소재를 사용하는 것이 가장 우수하다는 평가가 있다"고 덧붙였다.

현재 SK온과 LG에너지솔루션은 고분자계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 전지를 개발하고 있다. SK온은 두 종류 모두 2026년 시제품을 생산하고 2028년 상용화하는 것을 목표로, LG에너지솔루션은 고분자계는 2026년, 황화물계는 2030년 상용화 계획을 세웠다. 삼성SDI는 황화물계 전고체 전지만 개발 중이며 상용화 시점을 2027년으로 잡았다.

한편 시장조사업체 SNE리서치는 전고체 전지가 2027년부터 양산되기 시작해 2035년 전체 배터리 시장의 10∼13%를 차지할 것으로 전망하고 있다. 사용량은 2030년 149∼160GWh, 2035년 950∼1413GWh 규모로 성장할 것으로 내다봤다.