차세대 ‘황화물계 고체전해질’, 충․방전, 비용이 문제

[애플경제 박문석 기자] 전기자동차 시장에서 상용화된 리튬이차전지의 안정성이나 고성능화 등이 끊임없이 강조되고 있다. 이런 요건을 충족할 만한 것으로 전고체전지용 황화물계 고체전해질이 각광받고 있다. 그러나 이 역시 충․방전 수명과 화학적 안전성, 비용절감 등이 여전히 해결과제로 남아있다.

시장분석기관 SNE리서치나 IRS글로벌 등 전문가 집단에 의하면 일단 전고체전지의 장점은 안전성이나 에너지밀도, 출력 온도, 전지구조 등에서 액체전해질에 비해 우수하다는 평가다. 특히 SNE리서치는 “전고체전지의 핵심소재인 고체전해질이 중요하며, 그 중에서도 특성이나 파급력 등에서 황화물계 고체전해질이 가장 앞서 있다고 말할 수 있다.”고 진단했다.

수천 사이클 필요한 충․방전 수준, 아직 수십~수백 사이클

그럼에도 불구하고, 여전히 충방전 수명과 제조비용이 완전히 해결되지 않고 있다.

SNE리서치에 따르면 우선은 충방전수명의 문제다. 이를 전기차에 탑재, 상용화하려면 충방전수명을 수천 사이클 이상으로 끌어 올려야 하는데, 현재는 수십~수백 사이클에 머물러 있다.

또 제조비용을 낮추는 것도 문제다. 현재의 전고체전지 제조비용은 kWh당 기존 리튬배터리에 비해 4배 ~ 25배 정도 비싸기 때문에 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있다는 지적이다.

그래서 “결국, 전고체전지 상용화의 핵심은 수명이 길면서도 저렴한 가격으로 보급할 수 있는 화물계 고체전해질의 개발”이라는 설명이다.

실제로 국내 배터리3사를 포함해 해외 주요국들도 전기자동차의 안전성, 에너지 밀도, 고율 특성을 향상시키기 위해 치열한 R&D노력을 기울이고 있다.

특히 이들은 차세대 전고체전지의 핵심소재인 황화물계 고체전해질 개발에 주력하고 있다. 이는 다시 말해 ‘공기안정성 황화물 고체전해질’로서 이를 위한 원천 제조기술이 경쟁력의 핵심이 되고 있다.

그 중에서도 “황화물계 고체전해질을 상용화하기 위해선 합성 공정을 최적화하고, 원가를 절감하며, 계면 안정성을 기하는 가운데, 복합 시트 기술이 개발이 필수”라는 SNE리서치의 설명이다. 이에 맞는 전고체전지 시스템 최적화가 관건인 셈이다.

실제로 글로벌 기업들도 황화물계 고체전해질의 상용화를 위한 충․방전 효율과 사이클 특성을 높이는데 주력하고 있다. 이를 위해 황 결손이 적고 결정성이 높으며, 리튬이온전도성을 높이고, 전자 전도성이 낮은 황화물계 고체 전해질을 해결책으로 모색되고 있다.

또한 화학적 안정성이 높은 새로운 결정성 고체 전해질도 시급한 실정이다. 일단 결정성 고체 전해질은 화학적 안전성이 높다는 평가다. “예를 들어 NMP, 아세톤, DMF 등의 극성 용매를 사용, 슬러리화할 수 있고, 이들 용매는 도전(전도)율을 높게 유지할 수 있다.”는 설명이다.

또한 우수한 이온 전도율과 전기화학적 안정성도 중요하다. 이를 위해선 액체환경이 ‘내수성’이나 내산화성이 강화된 리튬이온 전지용 황화물계 고체 전해질이 바람직하다.

국내외 특허, 황화물계 고체전해질 합성기술 최적화 초점

실젤 최근 국내외에서 출원된 특허들을 분석해보면, 이같은 요건에 부합할 수 있는 기술 개발에 주력하고 있는 것으로 나타났다.

시장조사기관 IRS글로벌에 따르면 역시 주요 글로벌 기업들이나 연구기관들은 황화물계 고체전해질 합성기술의 최적화에 초점을 맞추고 R&D를 진행하고 있다.

또 이온전도율을 높이기 위한 다양한 방법들도 한창 개발 중이다. 또 수분에 취약한 황화물계임을 염두에 두고, 제조과정에서 발생되는 독성가스인 황화수소가스 발생을 억제하거나 제거하기 위한 연구들이 진행되고 있다.

이를 종합하면 “대기 안전성을 향상시켜 황화수소가스 발생을 억제시키면서, 이온전도율을 높이고, 입자 크기를 원하는 용도에 맞게 조절하여 제조하는 기술이 필요하다”는 의견이다.

앞서 SNE리서치는 이같은 황화물계 고체전해질 기술에 대해 일단 성장기와 성숙기의 중간 단계 쯤으로 보고 있다.

이에 따르면 성장기는 R&D가 급속히 늘어나고, 경쟁이 치열해지고 특허와 출원인이 빠르게 증가하는 시기다. 또 성숙기는 지속적인 연구개발 활동과 함께, 뒤처진 기업들이 도태되고 특허 출원과 출원인 역시 정체되거나 감소되는 시점이다.

한편 SNE리서치에 따르면 글로벌 전고체전지 시장규모는 2022년 약 2,750만 달러에서 연평균 180%의 높은 성장률을 나타내어 2030년 약 400억 달러의 큰 시장을 형성할 것으로 전망된다. 그 중 10%를 전고체전지가 차지할 것으로 전망하고 있다.