제2의 카카오 먹통 막을 ‘전고체 배터리’…日선두·韓 맹추격

최근 발생한 카카오 먹통 사태의 원인으로 데이터센터 무정전 전원장치(UPS, 데이터센터 전력 차단 시 비상 전원을 공급하는 장치)의 리튬이온 배터리 발화가 꼽힌다. 리튬이온 배터리는 연이은 전기차 화재의 원인으로 지목되기도 했다. 상황이 이렇자, 배터리 업체뿐 아니라 배터리를 핵심 부품으로 쓰는 전기차 기업까지 불이 나지 않는 꿈의 배터리, ‘전고체’ 기술 확보에 사활을 걸고 있다.

SK C&C 판교 데이터센터 지하 3층 전기실 내 비상 축전지가 불에 탄 모습(왼쪽), 합동감식반이 1차 현장 감식을 위해 건물로 향하는 모습. 출처=윤영찬 더불어민주당 의원 페이스북·사진공동취재단

전해질 고체로 대체…폭발·화재 위험 낮은 ‘전고체 배터리’

현재 전기차와 휴대폰, 노트북, 데이터센터 UPS 등에 쓰이는 리튬이온 배터리는 양극과 음극, 분리막, 전해질로 구성된다.

리튬이온 배터리 4대 구성 요소. 출처=삼성SDI

리튬이온 배터리는 충전 시 리튬 이온을 양극에서 음극으로 보냈다가 방전 시 양극으로 다시 돌아오게 하는 방식으로 충·방전을 지속한다. 양극의 리튬이온이 중간의 전해액을 지나 음극으로 이동하면서 전기를 발생시키는 원리다. 이때 이온이 잘 이동하도록 돕는 매개체가 액체인 전해액이며, 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 한다.

문제는 온도 변화로 인한 배터리 팽창 또는 외부 충격으로 인한 누액이 발생하면, 액체 전해질이 화재나 폭발을 일으킨다는 점이다.

리튬이온 배터리와 전고체 배터리 차이. 출처=삼성SDI

전고체 배터리는 액체가 아닌 고체 상태의 전해질을 사용한다. 전해질이 고체이기 때문에 외부 충격에도 누액이 발생하지 않아 안전하며, 액체 대신 고체의 전해질이 분리막 역할까지 대신한다. 이 덕분에 배터리 부품 수가 줄어, 그 자리에 배터리 용량을 늘릴 활물질을 채워 넣을 수 있다. 전고체 배터리가 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높은 이유다.

불이 나지 않으면서도 높은 에너지 효율까지 확보할 수 있는 전고체 기술을 하루빨리 상용화하는 기업이 향후 배터리 시장을 주도할 것으로 전망된다. 이에 각 기업이 전고체 배터리 기술 확보에 사활을 걸고 있다.

전고체 배터리 기술…日 독주, 韓 맹추격

전고체 배터리 기술 확보 경쟁에서 앞서 나가는 국가는 일본이다. 글로벌 전고체 배터리 관련 특허 개수를 집계해보면, 상위 10개 기업 중 6개가 일본 기업이다.

전고체 배터리 관련 특허 보유 수 기준 기업 순위. 출처=일본 니혼게이자이신문, 그래픽=정보통신기획평가원

일본 니혼게이자이신문이 특허 조사회사 패이턴트리절트(PatentResult)와 함께 세계지적재산권기구(WIP)에 출원된 전고체 배터리 관련 특허를 조사한 결과, 일본 도요타가 1,331개로 압도적인 1위를 차지했다. 이 기업은 1990년대부터 전고체 배터리 연구를 시작했으며 전고체 배터리 재료와 구조, 제조 공정에 이르는 영역에 고루 특허를 보유한 것으로 알려졌다. 도요타에 이어 파나소닉HD(2위)와 이데미츠코산(3위), 무라타제작소(5위), 스미모토상사(7위), 후지필름(8위)도 10위 안에 이름을 올렸다. 우리나라는 삼성전자(4위)와 LG화학(6위), 현대차(9위), LG에너지솔루션(10위) 총 4개 기업이 일본을 추격 중이다.

도요타, 2025년 전고체 배터리 탑재 차량 출시 전망…韓 기업 산학연 동맹 강화

전고체 기술에 오래 투자한 도요타는 2025년 자사 하이브리드 차량에 전고체 배터리를 탑재, 상용화에 나서겠다고 밝혔다. 후발주자인 한국 기업들은 산학연 협력을 강화하는 방식으로 추격에 나섰다.

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도요타와 파나소닉 로고. 출처=각사 홈페이지

일본 도요타는 배터리 생산 능력 확대를 위해 파나소닉과 손잡고 합작사 ‘프라임 플래닛 에너지 앤드 솔루션(Prime Planet Energy and Solutions)'을 2020년 설립한 바 있다. 두 기업은 합작사를 통해 다양한 자동차 제조업체의 전기차 배터리를 만들겠다고 밝혔다. 도요타는 지난 8월, 전기차 배터리 생산능력을 높이기 위해 미국 노스캐롤라이나주 자회사에 3,250억 엔(약 3조 1,400억 원)을, 파나소닉과 공동 출자한 효고현 히메지시 공장에는 4,000억 엔(약 4조 원)을 투자할 방침도 공개했다.

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현대차와 삼성전자 로고. 출처=각사 홈페이지

현대차그룹은 남양연구소 산하 배터리 연구개발 조직을 선행기술과 생산기술, 배터리기술로 세분화해 연구개발에 박차를 가하고 있다. 특히 선행기술 연구팀의 R&D 인력을 대폭 강화해 전고체 배터리 기술 확보에 주력하고 있다. 지난 2020년, 정의선 현대차그룹 회장과 이재용 삼성전자 회장은 삼성SDI 천안사업장과 현대차그룹 남양기술연구소에서 각각 만나 자율차 등 미래 신사업과 더불어 전고체 배터리 기술 확보를 위한 협력을 논의했다.

LG에너지솔루션은 최근 포스텍과 ‘배터리 소재 및 공정 기술 개발을 위한 업무협약’을 체결, 차세대 배터리 소재를 위한 연구 개발에 함께 나서기로 했다. 이 기업은 전고체 배터리 논문과 특허를 여럿 보유한 한양대, 연세대와도 업무 협약을 체결해 기술 확보에 나섰다. SK온도 최근 한양대, 연세대와 산학협력을 발표하며 뒤를 이었다.

연세대학교-SK온 차세대배터리 산학협력 협약식. 출처=연세대학교

배터리 업계 관계자는 “전고체 배터리 시장은 2035년 30조 원 규모로 성장할 것으로 예측된다. 특히 전고체 배터리를 탑재한 전기차는 화재로부터 안전하면서도 주행가능 거리가 대폭 늘어나, 상당한 파급효과를 미칠 것”이라며 “배터리 소재를 액체에서 고체로 바꾸는 과정에서 이온 전도도가 낮아지는 문제 등 전고체 배터리 상용화까지 선결 과제가 남아있지만, 상용화에 성공하는 기업은 업계 판도를 바꿀 수 있을 정도의 기술로 평가받는다”고 말했다.

동아닷컴 IT전문 김동진 기자 (kdj@itdonga.com)