(전기차, 2차전지 산업 이해) 전고체 배터리 특성, 가격과 전망

 

삼프로TV '업종 기초교육과 실전 투자 전략' 2차전지 기초'를 듣고 요약한 내용입니다.(아래 링크 참고)

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1. 전고체 배터리 특성

 

전고체 배터리란 기존 리튬이온 배터리에서 전해액과 분리막이 고체 전해질로 대체되는 형태입니다. 리튬이온 배터리는 90년대 일본업체가 개발한 Format를 그대로 사용해 왔습니다. 1990년대 소니 워크맨을 사용하셨던 분들은 아마 '껌전지'라고 하는 것을 기억하실 겁니다. 일회성이 아닌 계속 충전해서 쓸 수 있었던 그 건전지입니다.

 

그림출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=danbymiu&logNo=220810107391

 

 

하지만 시간이 많이 지난 만큼 시대의 흐름 등을 반영하여 새로운 형태(차세대 배터리) 개발이 필요한 시점입니다.

 

차세대 배터리 중 가장 상용화에 근접해 있는 후보가 '전고체 배터리'입니다. 기존 리튬이온 배터리에서 전해액과 분리막이 고체 전해질로 대체되는 형태라고 할 수 있습니다. 안전성, 에너지밀도, 충전속도 단축 측면에서 기존 배터리 대비 이점이 있으나 높은 계면저항(고체 전해질이 양극/음극과 맞닿는 부분에서 저항이 발생하는 것)과 낮은 이온전도도, 덴드라이트 발생 등을 극복해야 하는 기술적 과제가 있습니다.

 

[계면저항] 고체 전해질이 양극 / 음극과 맞닿은 부분에서 저항이 발생하는 현상.

[덴드라이트] 충전 시 리튬이온이 고드름 형태로 달라붙는 현상으로, 분리막을 찢을 수 있는 만큼 특수코팅층 개발이 필요함

 

리튬이온 배터리와 전고체 배터리 비교한 그림은 다음과 같습니다. 

 

출처 : 삼프로TV 업종기초교육 2차전지 기초(자료 : Spring8, 메리츠증권 리서치센터)

 

리튬이온 배터리는 전해질이 액체인 어항 구조입니다. 반면 전고체 배터리는 전해질이 고체인 햄버거 구조입니다. 때문에 부피 감소, 안전성 향상, 고용량화가 가능하다는 이점이 있습니다. 또한, 리튬이온 배터리는 작동온도 범위가 -20℃~80℃인 반면 전고체 배터리는 -100℃~100℃이기 때문에 냉각시스템의 축소가 가능하다는 장점이 있습니다. 

 

전고체 배터리 전해질 구성물질로는 크게 황화물, 산화물, 폴리머가 있습니다. 이 중 겔폴리머와 황화물 분야가 가장 연구가 많이 진척되었다고 합니다. 향후 완성차 및 배터리 업체 가격 및 성능 등에 따라 초기 전고체 배터리 Type은 다양할 것으로 예상된다고 합니다. 현재 고체전해질을 개발하여 샘플 대응을 하는 업체는 센트럴 글래스(일본), 미쯔비시화학(일본), 동화기업(한국) 등이 있다고 합니다.

 

2. 전고체 배터리 가격과 전망

현재 가격은 매우 비싼 편입니다. KWh당 투입되는 전해액+분리막 가격은 2021년 기준 28$(전해액 10$+분리막 18$)로 추정되지만 현재 고체전해질은 3,000$(양산기준이 아닌 연구소 기준)라고 합니다.  물론 점진적 하향 안정화가 예상되기는 하지만(2020년 3,000$ → 2025년 500$ → 2027년 180$) 리튬이온 배터리와 가격차이가 크기 때문에 2030년 이전까지는 전고체배터리가 대량양산 모델에 적용되기는 어려울 것으로 예상된다고 합니다.(2027년 기준 전고체배터리 셀 기준 가격 180$/KWh, 리튬이온배터리 셀 기준 가격은  86$/KWh로 각각 예상)

 

하지만 전고체배터리는 시대적 흐름에 따라 지속적으로 개발되고 있으며 이에 따라 2025년부터 상용화가 시작되어 2030년 이후 본격 성장할 것으로 전망하고 있습니다. 전체 배터리 시장 규모에서 전고체 배터리 차지 비중은 2025년 0.8%, 2027년 2.5%, 2030년 7.0% 정도로 예상하고 있습니다.

 

출처 : 삼프로TV 업종기초교육 2차전지 기초(자료 : SNE리서치, 메리츠증권 리서치센터)

 

이러한 흐름에 따라 삼성SDI는 2023년 밸류체인 구성을 완료하고 2025년부터 시양산, 2027년 본양산 예정(1200Wh/L 추정), LG화학은 2025~2030년 전고체배터리 양산 계획. 전고체 전해질 물질은 산화물, 황화물 모두 연구 중이라고 합니다. 또한 도요타, Solid Power, CATL, Quantumscape, ProLogium 등 해외 업체들도 활발히 연구와 상용화 준비가 진행 중이라고 합니다.