[헬로티=서재창 기자]

전고체 배터리 개발 경쟁은 이미 시작됐다. 리튬이온배터리의 뒤를 이어 차세대 이차전지 주자로 손꼽히는 전고체 배터리는 기존 배터리에 비해 높은 안전성과 에너지 효율이 장점이다. 전고체 배터리 개발은 기존 배터리 제조기업과 완성차 기업 간의 협업과 경쟁을 부추길 것으로 보인다. 

팽창하는 이차전지 시장 수요

산업연구원 미래전략브리프에 따르면, 배터리 주요국은 세계 이차전지 수요에 대비한 공급 능력 확충에 주력할 것으로 예측했다. 코로나19 발생 이후, 세계 각국이 경기 부양책으로 전기차 보급 확대와 관련한 지원 방안을 발표함에 따라, 이차전지 산업의 성장에 파란불이 들어왔다. 

세계 이차전지 수요는 2030년 2623GWh로 2018년 대비 14.3배 성장할 것으로 전망된다. 이를 뒷받침하는 것은 전기차와 에너지저장장치(ESS) 수요다.  

유럽은 올해부터 시행되는 자동차 배출가스 규제 대응을 위해 전기차 구매 보조금을 상향 지급하기로 결정했으며, 충전인프라 확충 등의 투자 계획을 발표했다. 

미국은 지난 1월 취임한 조 바이든 대통령의 정책 기조에 따라 1차 임기 내 전기차와 재생에너지 인프라에 2조 달러 투자, 신규 일자리 100만 개 창출을 공약했다. 

▲2018-2030년 세계 이차전지 수요 전망(출처 : World Economic Forum, Mckinsey 2019)

한편, 올해부터는 자동차 제조사가 전용 플랫폼 기반의 전기차를 출시하는 등 다양한 신차 출시가 예정돼있어 배터리 수요를 크게 증가시킬 전망이다. 

이 같은 이차전지 수요의 증가는 기업의 투자 확대를 부추기게 될 것이며, 이를 통해 경쟁이 심화될 것으로 보인다. 이는 곧 새로운 기술에 대한 니즈가 확대된다는 의미다. 

산업연구원에 따르면, 전고체 배터리의 양산 시점이 전기자동차 보급의 전환점이 될 것이라고 밝힌 바 있다. 국내 대표 배터리 3사인 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션을 비롯해 주요 이차전지 소재기업들은 전고체 배터리 생산계획을 발표하며, 미래 시장을 대비한 준비에 나서고 있다.  

완성차 기업과 배터리 기업이 만났을 때

국내에서는 삼성SDI, 현대자동차 등을 중심으로 전고체 배터리 연구가 진행되고 있다. 삼성SDI현대차그룹은 전고체 배터리 연구 개발에 막대한 비용을 투자하는 중이다. 

2025년 상용화 후 10년 지난 2035년 전고체 배터리 예상 시장 규모는 29조3000억 원에 달하기 때문이다. 지난해 이재용 삼성 부회장과 정의선 현대차그룹 회장의 첫 회동에서는 삼성SDI의 전고체 배터리 기술이 주요 안건이었다. 

향후 현대차그룹은 삼성SDI와의 협업을 진행하는 동시에 자체 배터리 기술 강화에도 박차를 가할 계획이다. 나아가 독자적으로 배터리를 개발해 생산까지 할 수 있는 기술을 보유할 것으로 보인다. 

▲현대자동차 전용 전기차 브랜드 아이오닉의 첫 모델인 ‘아이오닉 5(출처 : 현대차)

양사는 2018년 전고체 배터리 생산개발 스타트업인 솔리드파워에 공동 투자한 바 있다. 미국 콜로라도에 위치한 솔리드파워는 BMW와 포드, 삼성벤처투자 등 유수의 기업으로부터 투자를 받은 회사다. 솔리드파워는 2023년 전고체 배터리를 양산, 2028년부터 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 양산하겠다는 포부를 밝혔다. 

한편, 삼성SDI는 지난해 차세대 전기차 배터리 기술 개발을 선도하기 위해 지난해 연구·개발에 최대 투자를 집행했다. 삼성SDI가 공시한 2020년 사업보고서에 따르면, 연구개발비는 8천83억 원으로 역대 최대치를 기록했다. 삼성SDI의 연구개발비는 2017년부터 증가했으며, 매출액 대비 비중은 7% 이상인 높은 수준을 유지하고 있다. 

현재 삼성SDI는 자체 개발 프로젝트와 더불어 삼성전자 종합기술원, 일본 연구소 등과 협력해 전고체 배터리 기술을 공동 개발 중이다. 이뿐 아니라 현재 전기차 생산에 있어 풀어야 할 과제인 주행거리, 충전 속도, 가격 등 위주로 투자하고 있다고 밝혔다. 

삼성SDI는 니켈 함량이 88% 이상의 하이니켈 기술을 접목시켜 주행 거리를 대폭 늘리고, 희소 금속인 코발트 비중은 낮춰 원가를 절감한 5세대 전기차 배터리를 올해 하반기 양산할 예정이다. 

▲삼성SDI는 지난해 차세대 전기차 배터리 기술 개발을 선도하기 위해 지난해 연구·개발에 최대 투자를 집행했다. (출처 : 삼성SDI)

지난 2016년, 삼성SDI는 한번 충전에 600㎞ 주행, 2017년에는 20분 급속 충전으로 500㎞ 주행 기술을 개발했고, 2018년에는 최첨단 스마트 공장을 구축했다. 지난해에는 배터리 용량을 더욱 획기적으로 늘릴 양극과 음극 소재 기술 연구에서 성과를 거뒀다. 

양극 소재에서는 니켈 함량을 90% 이상으로 높이고, 에너지 밀도를 향상시키는 기술을 지속해서 연구 중이다. 또한, 실리콘 음극 분야에서 특허 받은 독자 기술인 ‘SCN(Silicon Carbon Nanocomposite)’을 개발했다. 실리콘을 나노화하는 등 최첨단 기술을 적용해 단점으로 지목되던 팽창 문제를 해결했다. 

삼성SDI는 앞서 언급했듯이 전고체 배터리 개발에 있어 2027년 양산을 목표로 삼았다. 이에 삼성SDI의 지난해 연구개발비 외 시설투자는 1조6천억 원을 기록했다. 

배터리 부문 시설 투자에 지난 3년간 관련 매출의 평균 21%를 사용해 연구 개발과 시설투자 모두 미래 성장 동력인 배터리에 주력하는 모습이다. 삼성SDI는 올해에도 헝가리 법인에 약 1조 원의 투자를 진행해 배터리 공장 증설과 2공장 설립을 검토할 계획이다.

전고체 배터리로 주목받는 기업들

기존 배터리 강자인 LG에너지솔루션 역시 전고체 배터리를 비롯한 미래 배터리 기술 개발에 속도를 내고 있다. LG에너지솔루션은 전고체 배터리와 리튬황 배터리를 개발 중인 것으로 알려졌다. LG에너지 솔루션은 두 배터리의 상용화시기를 각각 2030년, 2024년 이후로 설정했다. 

한편, LG에너지솔루션은 지난 2016년 유럽 배터리 시장 공략을 위해 폴란드에 공장 건설을 시작한 바 있다. 2018년 상반기부터 본격적으로 배터리 생산을 시작했으며, 지난해 말 기준 연간 생산능력은 70Gwh을 달성했다. 

향후 증설을 통해 100GWh까지 생산능력을 늘린다는 계획이다. 감사보고서에 따르면, LG에너지솔루션은 지난해 말까지 폴란드 공장에 약 4조 원을 투자했다. 오는 2022년까지 8200억 원 추가 투자도 예정돼 있다. 

LG에너지솔루션은 유럽 배터리 시장 주도권을 선점하기 위해 이곳에 막대한 자금을 투자했다. 유럽에는 메르세데스벤츠, BMW, 폭스바겐 등 세계 주요 완성차 기업이 포진해있기 때문이다. 

LG에너지솔루션은 폴란드 공장에 셀, 모듈, 팩을 모두 생산하는 완결형 생산체제를 구축했다. 폴란드 공장 수율은 한 때 70% 초반까지 떨어진 것으로 알려졌다. 이를 만회하기 위해 LG에너지솔루션은 대대적인 수율개선 작업을 펼쳤고, 최근 정상화를 기록한 것으로 전해졌다. 

SK이노베이션은 장기적으로 리튬 메탈 형태의 전고체 배터리를 개발하고 있다. 이 배터리는 에너지밀도를 1000Wh/L 이상으로 크게 높이는 것이 특징이다. SK이노베이션은 지난 2019년 노벨 화학상 수상자인 존 굿이너프 미국 텍사스대 교수와 함께 전고체 배터리 개발을 진행한 바 있다. 

전고체 배터리 기술을 개발하는 중소기업도 최근 주목받고 있다. 전고체 배터리 전해질을 개발 중인 한농화성은 지난해 9월 국책과제 ‘리튬금속고분자전지용 전고상 고분자 전해질 소재 합성 기술 및 상용화 기술 개발’의 주관기업으로 참여했다. 

한농화성은 한국화학연구원과 LG에너지솔루션이 참여기관으로 연구를 함께 수행하고 있으며, 한농화성은 전고체 배터리 고분자 전해질의 핵심소재인 가소제와 가교제를 개발하고 있다. 

전고체 배터리를 개발하고 있는 미래컴퍼니, 씨아이에스 디에이치는 전고체 배터리 생산라인을 구축하기 위해 힘을 모았다고 밝혔다. 세 기업은 이번 협력을 통해 각각 공정 최적화 및 불량 검출 장비, 양-음극판 합착 장비, 일정 크기로 자르는 장비 등을 개발하기로 했다.

▲인터배터리 2020에 참가한 포스코 케미칼

한편, 포스코케미칼은 NCMA 양극재 양산을 위해 광양공장에 약 6000억 원을 투자해 연산 6만 톤 규모 생산라인을 증설했다. 기존 4만 톤 규모인 연간 양극재 생산능력은 2023년 10만 톤으로 늘어난다. 

포스코케미칼 관계자는 “전기차 수요가 증가하면서 소재의 안정적 확보를 위한 글로벌 고객사의 주문이 급증하고 있어 증설을 서두르고 있다”며, “고객사 수주에 대응하기 위해 대형 고객사가 밀집한 중국, 유럽 등에도 생산 공장 건립을 추진하고 있다”고 말했다. 포스코케미칼은 2030년까지 글로벌 생산 능력을 40만 톤으로 확대한다는 계획이다. 

지난해 포스코는 계열사 증자 규모로는 사상 최대인 1조 원의 포스코케미칼 유상증자를 결정했다. 유상증자로 마련한 투자 재원을 이차전지 소재 사업 설비 증설 등에 활용해 성장을 가속화한다는 계획이다. 

여기에는 전고체 배터리에 적용할 수 있는 리튬메탈 음극재 등의 선행 개발도 포함된다. 포스코케미칼은 향후 이차전지 소재 사업에서 2030년까지 세계 시장 점유율 20%, 연매출 23조 원을 달성한다는 목표를 추진하고 있다.