전고체 배터리 현황 분석: 기술, 시장, 그리고 미래 전망
전고체 배터리(All-Solid-State Lithium Battery, ASSLB)는 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 차세대 이차전지 기술로, 양극, 음극, 전해질 등 모든 주요 구성 요소가 고체 형태로 이루어져 있습니다. 이 기술은 기존 배터리의 근본적인 한계를 극복하고 전기차(EV), 드론, 에너지 저장 시스템(ESS) 등 고에너지 밀도를 요구하는 다양한 애플리케이션에서 혁신을 가져올 잠재력으로 '꿈의 배터리'라 불리며 전 세계적인 주목을 받고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 한국 이차전지 산업의 지속 가능한 성장을 견인하고 새로운 시장 기회를 창출할 핵심 동력으로 평가됩니다.
전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리 대비 여러 가지 결정적인 장점을 제공합니다. 첫째, 안전성 측면에서 기존 리튬이온 배터리의 인화성 액체 전해질로 인한 화재 및 폭발 위험을 고체 전해질 사용으로 대폭 낮출 수 있습니다. 고체 전해질은 비가연성이며, 온도 변화에 따른 팽창이나 누액 위험이 없고, 열폭주 현상을 방지하여 극한 외부 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 또한, 고체 전해질이 분리막 역할을 겸하여 배터리 구성이 간소화되고, 충방전 시 발생하는 덴드라이트(dendrite) 형성 억제에도 유리하여 안전성을 극대화합니다.
둘째, 높은 에너지 밀도 구현이 가능합니다. 전고체 배터리는 고체 전해질이 분리막 역할을 겸함으로써 배터리 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 기존 흑연 음극재보다 훨씬 높은 용량을 갖는 리튬 금속(Li-metal)을 음극재로 사용할 수 있게 됩니다. 이를 통해 단위 부피당 또는 단위 무게당 저장 가능한 에너지의 양을 획기적으로 늘릴 수 있으며, 전기차의 1회 충전 주행 거리를 800km에서 1,000km 이상으로 대폭 연장하는 데 기여합니다. 삼성SDI는 이미 900Wh/L 이상의 에너지 밀도를 시현한 바 있습니다.
셋째, 빠른 충전 속도를 지원합니다. 고체 전해질은 열적 안정성이 높아 고속 충전이 가능하며, 이론적으로는 5분 이내 80% 충전과 같은 혁신적인 속도를 구현할 잠재력을 가집니다. 넷째, 긴 수명과 넓은 사용 가능 온도 범위를 제공합니다. 고체 전해질은 열화가 적어 사이클 수명이 길고 충방전 지속 시 성능 저하가 적으며 , 고온 및 저온 환경에서도 안정적인 성능을 유지하여 겨울철 배터리 성능 저하와 같은 기존 전기차의 애로사항을 크게 개선할 수 있습니다.
이처럼 전고체 배터리의 안전성 향상은 단순한 기술적 진보를 넘어, 리튬이온 배터리의 고질적인 화재 및 폭발 위험을 해결하는 핵심적인 상업화 동인이자 시장 확장 촉매제로 작용할 것입니다. 특히 전기차 및 대규모 에너지 저장 시스템(ESS) 분야에서 안전은 소비자와 규제 당국의 최우선 고려 사항이므로, 전고체 배터리의 안전성 확보는 시장 수용성을 획기적으로 높이는 결정적인 요소로 작용할 것으로 분석됩니다. 또한, 전고체 배터리의 고에너지 밀도는 전기차의 '주행거리 불안(Range Anxiety)'을 근본적으로 해소할 수 있는 핵심 기술입니다. 1회 충전으로 800km에서 1,000km 이상의 주행거리를 제공하는 것은 내연기관차와의 경쟁에서 전기차의 우위를 확고히 하고, 전기차 대중화의 결정적인 전환점이 될 것입니다. 이는 단순히 성능 향상을 넘어 시장의 판도를 바꿀 '게임 체인저'로서의 전고체 배터리 위상을 강화합니다.
다음 표는 전고체 배터리와 기존 리튬이온 배터리의 주요 특성을 비교하여 전고체 배터리의 차별화된 가치를 명확히 보여줍니다.
표 1: 전고체 배터리 vs. 리튬이온 배터리 주요 특성 비교
| 전해질 형태 | 고체 | 액체 (유기 용매 기반) |
| 안전성 | 화재/폭발 위험 대폭 감소 (비가연성, 열폭주 방지, 덴드라이트 억제) | 화재/폭발 위험 존재 (인화성, 열폭주 가능성) |
| 에너지 밀도 | 500Wh/kg 이상, 900Wh/L 이상 목표 (리튬메탈 음극 적용 가능) | 255Wh/kg 수준 |
| 충전 속도 | 5-10분 이내 80% 충전 가능성 | 20분-1시간 이상 |
| 수명 | 사이클 수명 길고 성능 저하 적음 | 사이클 수명 한계 (전해액 소모) |
| 온도 안정성 | 고온 및 저온 환경 안정성 우수 (겨울철 성능 저하 적음) | 온도에 민감 (겨울철 성능 저하) |
| 분리막 필요 | 불필요 (고체 전해질이 역할 겸함) | 필요 (액체 전해질과 전극 분리) |
| 주요 음극재 | 리튬메탈 (Li-metal) | 흑연 (Graphite) |
전고체 배터리 기술 현황
2.1. 핵심 기술 요소: 고체 전해질
전고체 배터리의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소는 고체 전해질입니다. 현재 연구 개발은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계의 세 가지 주요 유형으로 진행되고 있으며, 각기 다른 특성과 장단점을 가집니다.
황화물계 (Sulfide-based) 고체 전해질은 고체 전해질 재료 중 상대적으로 가장 높은 이온 전도도(>10^-3 S/cm)를 가지며, 이는 리튬 이온의 빠른 이동을 가능하게 하여 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도 구현에 유리합니다. 이러한 장점 때문에 많은 글로벌 기업과 연구기관이 황화물계 고체 전해질에 기대를 걸고 연구 및 투자를 집중하고 있습니다. 특히 일본과 한국 기업들이 황화물계 배터리 생산 기술에서 높은 수준을 보입니다. 토요타는 황화물계 고체 전해질을 사용한 전고체 배터리 실용화를 목표로 하고 있으며 , SK온 역시 황화물계 전고체 배터리를 개발 중이며 2029년 상용화 시제품 생산을 목표로 합니다. 그러나 황화물계는 공기 중 습기에 매우 민감하여 안정성이 떨어지고, 주로 고온에서만 안정적인 작동이 가능하다는 단점이 있습니다. 또한, 황화리튬(Li2S)과 같은 핵심 원료의 합성 비용이 1kg당 약 1,600만원에 육박하여 기존 리튬이온 배터리보다 5배 이상 비싸다는 점은 상용화의 큰 걸림돌로 작용합니다.
산화물계 (Oxide-based) 고체 전해질은 황화물계에 비해 이온 전도도는 다소 낮지만, 공기 중에서 전기화학적 안정성이 우수하고 전반적인 안정성이 뛰어난 장점이 있습니다. 중국의 펑후이넝위안(Penghui Energy)은 자체 개발한 산화물 전해질을 사용한 1세대 전고체 배터리를 2024년 8월 발표했으며, 2026년 정식 생산을 목표로 하고 있습니다. 남도전원원(Narada Power) 또한 산화물 전해질을 적용하여 350Wh/kg의 에너지 밀도와 2,000회 이상의 사이클 수명을 달성하고 현재 중간 시험 생산 및 소량 공급을 시작했습니다. SK온은 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리를 2027년 상용화 시제품 생산을 목표로 개발 중입니다. 하지만 산화물계는 합성을 위해 매우 높은 고온 열처리 공정이 필요하여 배터리의 대면적화 및 대량 생산이 쉽지 않으며, 전해질과 전극 사이의 계면 형성(접촉)이 어렵다는 단점이 있습니다.
고분자계 (Polymer-based) 고체 전해질은 유연성과 가공성이 뛰어나고, 전해질-전극 간 계면 안정성이 좋다는 특징을 가집니다. 한국 정부는 이러한 고분자계의 장점을 활용하여 소형 IT 및 웨어러블 기기 시장을 겨냥한 고분자계 전고체 배터리 기술 개발에 2025년부터 2028년까지 총 358억 원(국비 250억 원)을 투입할 계획입니다. SK온도 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리를 개발 중입니다. 그러나 고분자계는 이온 전도도가 낮고, 주로 고온에서만 안정적인 성능을 발휘하며, 상온에서의 이온 전도도 및 내구성이 부족하다는 한계점을 가지고 있습니다.
다음 표는 주요 고체 전해질 종류별 특성 및 장단점을 요약하여 보여줍니다.
표 2: 주요 고체 전해질 종류별 특성 및 장단점
| 황화물계 | 높음 (액체 전해질 수준 근접) | 습기에 매우 민감 | 낮음 | 높음 (원료 비쌈) | 고에너지 밀도, 고속 충전 유리 | 습기 취약, 고온 작동, 고비용 |
| 산화물계 | 비교적 높음 | 공기 중 안정성 우수 | 낮음 | 높음 (고온 열처리) | 높은 안정성, 공기 중 안정 | 고온 공정 필요, 계면 형성 어려움 |
| 고분자계 | 낮음 | 양호 | 매우 우수 | 낮음 (가공성 좋음) | 유연성, 가공성, 계면 안정성 | 낮은 이온 전도도, 상온 성능 부족 |
2.2. 기술적 난제 및 해결 노력
전고체 배터리의 상용화를 위해서는 여러 기술적 난제를 극복해야 합니다. 이러한 난제들은 서로 깊이 연관되어 있어 단일 기술 돌파만으로는 한계가 있으며, 종합적인 재료 과학, 공정 엔지니어링, 그리고 대량 생산 기술의 혁신이 동시에 이루어져야 합니다. 이는 연구 개발의 복잡성과 투자 부담을 가중시키는 요인으로 작용합니다.
낮은 이온 전도도 및 계면 저항 문제는 전고체 배터리 개발의 핵심적인 기술적 허들입니다. 고체 전해질은 액체 전해질 대비 이온 전도도가 낮아 배터리 출력이 저하되고 고속 충전이 어렵다는 문제점을 안고 있습니다. 더욱이, 고체 전해질과 양극/음극 간의 고체-고체 계면에서 발생하는 높은 저항은 전지의 전체 성능을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지목됩니다. 이러한 계면 저항은 고체 물질 간의 미시적인 접촉 불량에서 기인하며, 이온 이동을 방해하여 배터리의 효율과 수명을 저하시킵니다.
이러한 문제 해결을 위해 다양한 노력이 경주되고 있습니다. 소재 개발 측면에서는 황화물계 고체 전해질의 이온 전도도를 액체 전해질 수준으로 높이는 연구가 활발히 진행 중입니다. 한국전기연구원(KERI)은 낮은 순도의 저렴한 원료로도 고성능 고체 전해질을 대량생산할 수 있는 '특수 습식합성법'을 개발하여 핵심 재료 비용을 90% 이상 절감하는 성과를 거두었습니다. LG에너지솔루션은 2024년 9월, 기존 액체 전해질과 비슷한 성능을 보이면서 제조 비용을 낮출 수 있는 새로운 고체 전해질을 개발했다고 발표하며 이온 전도도 개선에 진전을 보였습니다. 계면 제어 기술로는 전극과 전해질 계면 저항을 최소화하기 위해 양극 입자 코팅(예: 토요타의 니오브산리튬(LiNbO3) 10nm 코팅 기술 ), 양극 입자 미세구조/결정 제어, 계면상 형성, 중간층 도입 등의 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 특히, 고체 입자 간의 접촉을 개선하기 위해 기계적 압력을 가하는 방법도 연구되고 있으며 , 이는 고체 전해질과 전극 사이의 물리적 접촉을 극대화하여 이온 이동 경로를 확보하는 데 기여합니다. 이온 전도도와 계면 저항은 서로 영향을 미 미치며 배터리 성능에 복합적으로 작용합니다. 따라서 새로운 고체 전해질 소재 개발과 함께 계면 공학 기술을 병행하여 발전시키는 것이 전고체 배터리 성능 향상의 핵심입니다.
리튬 덴드라이트 형성 억제는 전고체 배터리의 안전성과 수명에 직접적인 영향을 미치는 또 다른 주요 문제입니다. 충전 및 방전 과정에서 음극 표면에 나뭇가지 형태의 리튬 결정(덴드라이트)이 형성될 수 있으며, 이는 고체 전해질을 뚫고 전극 간 단락을 유발하여 화재 위험과 배터리 수명 저하를 초래합니다. 특히 고에너지 밀도 구현을 위해 리튬메탈 음극을 사용할 경우 덴드라이트 문제는 더욱 중요해집니다.
이 문제 해결을 위해 고체 전해질은 액체 전해질보다 덴드라이트 형성을 억제하는 데 유리하며, 물리적 장벽을 제공하여 단락을 방지합니다. 더 나아가, 150~200㎫(메가파스칼)의 기계적 응력을 가하여 덴드라이트 성장을 억제하는 방법이 연구되었으며 , 전해액 첨가제 기술을 개발하여 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고 리튬이온을 균일하게 전달하는 연구도 진행 중입니다. 삼성SDI는 혁신적인 접근 방식으로 은-탄소(Ag-C) 합금층을 음극에 도입하여 리튬 석출량을 조절하고 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제했습니다. 이 기술을 통해 삼성SDI는 900Wh/L 이상의 에너지 밀도와 1000 사이클 이상의 장수명을 시현하는 데 성공했습니다. 덴드라이트 억제 기술의 발전은 단순한 안전성 확보를 넘어, 고용량 리튬메탈 음극의 안정적인 활용을 가능하게 하여 전고체 배터리의 에너지 밀도 잠재력을 극대화하는 핵심적인 단계입니다. 이는 전기차의 주행 거리를 획기적으로 늘리고 소형 기기의 사용 시간을 연장하는 데 필수적인 요소로 작용합니다.
제조 공정의 복잡성 및 수율 확보는 전고체 배터리 상용화의 가장 큰 걸림돌 중 하나입니다. 고체 전해질 소재를 대량으로 균질하게 합성하고, 이를 셀 내부에 정밀하게 적층·압착하는 공정은 액체 전해질 주입 방식보다 훨씬 까다롭고 복잡합니다. 이러한 복잡성은 높은 제조 비용과 낮은 생산 수율로 이어져 대량 생산 및 시장 확대를 어렵게 만듭니다. 특히 고체-고체 계면의 접촉 불량은 배터리 성능 저하의 주요 원인이 됩니다.
이러한 제조 난이도를 극복하기 위한 공정 혁신 노력이 다각도로 이루어지고 있습니다. 한국전기연구원(KERI)은 '고체전해질 최적 함침 기술'을 개발하여 양극에 고체 전해질을 균일하게 분산시키고 대면적 생산 및 비용 절감을 가능하게 했습니다. SK온은 인쇄 회로 기판 공정에 주로 활용되는 '광소결 기술'을 배터리 제조에 접목하여 공정을 개선하고 있으며 , ETRI는 건식 공정을 통해 기존 리튬이온전지 분리막 두께에 근접한 18㎛의 초박막형 고체 전해질막 제조에 성공했습니다. 이러한 공정 혁신은 생산성 향상 및 비용 절감에 기여할 것으로 기대됩니다. 또한, 대량 생산에 유리한 정수압 장비와 롤프레스 방식 등 새로운 장비 개발이 중요하게 다루어지고 있습니다. 생산 공정의 현대화, 자동화 및 데이터 기반 시스템 도입을 통해 원가 절감 및 경쟁력 강화를 목표로 합니다. 수율 개선을 위해 반도체 공정을 활용한 마이크로 전고체 배터리 기술은 초박막 전극 구조 제어 및 높은 재현성을 통해 수율 향상에 기여할 수 있으며 , 배터리 검사 및 진단 기술(비파괴 방식, AI/알고리즘 기반)의 발전 또한 수율 개선에 필수적인 요소로 강조됩니다. 이러한 제조 난이도 극복을 위한 노력은 배터리 산업에 국한되지 않고, 인쇄 회로 기판 공정이나 반도체 공정 등 이종 산업의 첨단 제조 기술을 배터리 생산에 적용하는 융합적 접근 방식을 포함합니다. 이는 고체-고체 계면의 물리적 한계를 극복하고 필요한 균질성, 정밀도, 확장성을 확보하기 위한 필수적인 전략으로, 다양한 고기술 산업 분야와의 협력 및 기술 이전이 전고체 배터리 상용화의 중요한 성공 요인이 될 것임을 시사합니다.
주요 기업 및 연구기관 개발 동향
전고체 배터리 기술은 전 세계 주요 배터리 제조사 및 완성차 기업들의 치열한 개발 경쟁 속에 있습니다. 각 기업은 상용화 목표 시점과 기술 로드맵을 발표하며 시장 주도권 확보를 위한 전략을 추진하고 있습니다.
3.1. 글로벌 선도 기업 로드맵
**토요타 (Toyota)**는 전고체 배터리 분야의 선두주자로, 수년간 관련 특허와 연구에 집중해왔습니다. 당초 2025년까지 전고체 배터리를 선보이겠다는 목표를 제시했으나, 최근 이를 2027년으로 다소 연기하여 첫 전고체 배터리 탑재 차량 출시를 목표로 하고 있습니다. 이 배터리는 10분 만에 10-80% 충전이 가능하고, 520마일(약 830km) 이상의 주행거리를 제공할 것으로 예상됩니다. 향후에는 630마일(약 1,013km)까지 주행거리를 높이는 것을 목표로 합니다. 토요타는 현재 전고체 배터리의 수명 및 내구성 향상에 집중하고 있으며, 일본 정부로부터 양산 계획 승인을 받아 파일럿 생산 라인을 구축 중입니다. 기술적으로는 황화물계 고체 전해질과 층상 산화물계 정극 재료를 사용하며, 셀 내부 저항을 낮추기 위해 10nm 두께의 니오브산리튬(LiNbO3) 코팅 기술을 최적화하는 등 제조법 개발에 집중하고 있습니다.
**삼성SDI (Samsung SDI)**는 전고체 배터리를 차세대 핵심 기술로 선정하고 R&D에 적극 투자하고 있습니다. 2027년 양산 개시를 목표로 하며 , 2022년 수원 R&D센터에 전고체 배터리 파일럿 생산 라인 'S-Line'을 설치하여 소형 샘플을 제작하고 글로벌 완성차 5개사에 공급 중입니다. 삼성SDI는 2조 원 규모의 유상증자를 통해 약 4,500억 원을 전고체 배터리 라인 구축에 투입할 계획을 밝히며 상용화에 대한 강한 의지를 보였습니다. 기술적으로는 각형(prismatic) 디자인이 안전성과 확장성에서 유리하다고 판단하여 각형 전고체 셀 개발에 집중하고 있습니다. 이미 0.6Ah급 프로토타입 셀에서 900Wh/L 이상의 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 시현했으며, 특히 은-탄소(Ag-C) 합금층을 음극에 도입하는 독자적인 기술을 적용하여 리튬 덴드라이트 문제를 해결하고 있습니다. 삼성SDI는 황화물계 전고체 배터리 상용화를 추진하고 있습니다.
LG에너지솔루션 (LG Energy Solution) 역시 전고체 배터리 R&D에 적극적으로 참여하고 있습니다. 파우치(pouch)형 전고체 셀 연구에 집중하며, 삼성SDI와 마찬가지로 2027년경 초기 상용화를 목표로 합니다. 2023년 10월에는 전고체 배터리 샘플 성능 테스트 결과를 공개하며 400Wh/kg의 에너지 밀도를 달성했다고 밝혔습니다. 2024년 9월에는 기존 액체 전해질과 비슷한 성능을 보이면서 제조 비용을 낮출 수 있는 새로운 고체 전해질을 개발했다고 발표했으며 , 같은 해 9월 새로운 전고체 배터리 프로토타입을 공개하고 2026년부터 가동될 상용화 생산 설비 투자 계획을 발표했습니다. LG에너지솔루션은 자체 개발과 더불어 스타트업 및 학계와 협력을 통해 황화물계 고체 전해질 등 소재 개발을 추진 중이며 , 고체 전해질 압착 기술을 활용하여 이온 전도도를 높이고자 합니다. 고분자-산화물 복합계와 황화물계 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이며, 각각 2027년, 2029년 상용화 시제품 생산을 목표로 합니다.
주요 중국 기업들도 전고체 배터리 개발에 박차를 가하고 있습니다. **중창신항(CALB)**은 2024년 8월 "무계(无界)" 전고체 배터리를 출시하며 430Wh/kg, 50Ah 이상의 성능을 발표했고, 2027년 양산을 예정하고 있습니다. **푸넝커지(Farasis Energy)**는 2023년 1세대 반고체 배터리를 양산했으며, 2025년 2세대 반고체 배터리 출시를 예정하고 황화물 전고체 배터리 개발을 진행 중입니다. **펑후이넝위안(Penghui Energy)**은 2024년 8월 자체 개발 산화물 전해질을 사용한 1세대 전고체 배터리를 발표하고 2026년 정식 생산을 목표로 합니다. **남도전원원(Narada Power)**은 산화물 전해질을 적용하여 350Wh/kg, 2,000회 이상 사이클 수명을 달성하고 중간 시험 생산 및 소량 공급을 시작했습니다. **타이란신에너지(Tailan New Energy)**는 2024년 11월 창안자동차와 "무격막 반고체 배터리 기술"을 발표하며 2027년 대량 생산을 목표로 합니다. **칭타오에너지(Qingtao Energy)**는 1세대 반고체 배터리(액체 포함량 5~15%)를 양산 중이며, 2세대(액체 포함량 5% 미만)는 2024년부터 양산 예정입니다. 2025년에는 다수 차량 모델에 적용하고 2027년 전고체 배터리 양산을 목표로 합니다. **고션하이테크(Gotion High-tech)**는 전고체 배터리를 탑재한 전기차로 1,000km 주행 시험에 성공하고 시험 생산 라인을 완공했습니다. CATL은 2024년 11월 500Wh/kg 밀도의 전고체 배터리 개발을 발표하는 등 중국 기업들의 공격적인 행보가 두드러집니다.
이 외의 글로벌 플레이어로는 **웨이란신에너지지(WeLion)**가 4대 생산 기지(연간 28.2GWh 생산능력)를 운영하며 1세대 반고체 배터리(240~270Wh/kg)를 양산 중이고, 2세대(400Wh/kg 목표)를 개발 중입니다. **후이넝테크(ProLogium)**는 산화물 전해질 기반 전고체 배터리 기술 전문 기업으로, 2024년 GWh급 생산라인을 가동하고 2027년 양산을 목표로 합니다. 유럽연합(EU)은 ProLogium Technologies에 50억 달러 이상 지원을 발표하며 유럽 내 생산 역량 강화를 꾀하고 있습니다. **퀀텀스케이프(Quantum Scape)**는 2024년 10월부터 첫 전고체 배터리 프로토타입을 소량 생산하여 자동차 업체에 샘플 테스트를 진행 중이며, 폭스바겐의 투자를 받았습니다. **히타치 조선(Hitachi Zosen Corporation)**은 2024년 1월 AS-LiB(전고체 리튬이온 배터리) 상업용 주문을 받았고, 우주에서의 1년간 시연을 성공적으로 완료하여 특수 분야 적용 가능성을 높였습니다.
다음 표는 주요 기업별 전고체 배터리 양산 목표 및 기술 로드맵을 요약하여 보여줍니다.
표 3: 주요 기업별 전고체 배터리 양산 목표 및 기술 로드맵 요약
| 토요타 | 황화물계 | 2027년 | 830km+ (향후 1,013km+) | LiNbO3 코팅 통한 내부 저항 저감 | 파일럿 생산 라인 구축 중 |
| 삼성SDI | 황화물계 | 2027년 | 900Wh/L 이상 | 각형 디자인, Ag-C 합금층 음극 | 파일럿 생산 라인 'S-Line' 가동, 샘플 공급 중 |
| LG에너지솔루션 | 황화물계, 고분자-산화물 복합계 | 2027년 (파우치형) | 400Wh/kg (샘플) | 파우치형, 고체 전해질 압착 기술 | 샘플 테스트, 상용화 생산 설비 투자 계획 |
| CALB (중국) | 황화물계 | 2027년 | 430Wh/kg, 50Ah 이상 | "무계" 전고체 배터리 | 2024년 8월 출시 |
| ProLogium (대만) | 산화물계 | 2027년 | - | GWh급 생산라인 가동 | 2024년 GWh급 생산라인 가동, 프로토타입 개발 |
| 퀀텀스케이프 (미국) | - | - | - | - | 프로토타입 소량 생산, 샘플 테스트 중 |
3.2. 국가별 연구 및 정부 지원 정책
전고체 배터리 기술은 각국 정부의 전략적 중요성을 인식하고 대규모 연구 개발 투자 및 산업 지원 정책의 대상이 되고 있습니다. 이는 에너지 안보, 경제 경쟁력, 그리고 환경 목표 달성을 위한 핵심 기술로 간주되기 때문입니다.
일본은 전고체 배터리 분야에서 오랜 기간 선도적인 위치를 유지해 왔습니다. 특히 토요타는 1,600여 건의 전고체 배터리 특허를 보유하며 이 분야에서 가장 많은 특허를 확보하고 있습니다. 일본 정부는 신에너지·산업기술총합개발기구(NEDO)를 통해 23개 기업이 참여하는 100억 엔 규모의 대규모 개발 프로젝트를 발족했으며 , 2030년까지 고성능 배터리 및 원재료 개발에 약 1,205억 엔(약 1조 2천억 원)을 투입할 계획입니다. 이러한 투자는 과거 리튬이온 배터리 상용화에 성공했으나 이후 한국과 중국에 주도권을 내준 일본이 배터리 분야의 주도권을 다시 가져오기 위한 산업 전반의 역량을 결집하는 전략으로 분석됩니다.
한국 또한 전고체 배터리 R&D에 적극적으로 투자하고 있습니다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 국내 주요 배터리 3사는 전고체 배터리를 차세대 핵심 기술로 보고 대규모 R&D 투자를 진행 중입니다. 한국 정부는 2024년부터 2029년까지 총 470억 원(2025년 62억 원)을 투입하는 '한계돌파형 4대 차세대 이차전지 핵심원천기술개발' 사업을 추진하고 있으며, 이 중 800Wh/L 전고체 전지(내구성 향상) 개발이 핵심 과제로 포함됩니다. 특히 주목할 점은 한국 정부가 소형 IT 및 웨어러블 기기 시장을 겨냥하여 고분자계 전고체 배터리 기술 개발에 2025년부터 2028년까지 358억 원(국비 250억 원)을 투입할 계획이라는 것입니다. 이러한 정부의 투자는 황화물계, 산화물계에 이어 고분자계까지 전 계열 전고체 배터리 기술 개발을 지원하여 '전고체 배터리 기술 3종 풀라인업'을 완성하고 기술 포트폴리오를 다변화하려는 전략적 움직임으로 해석됩니다. 이는 특정 기술 노선에 대한 불확실성을 헤지하고, 다양한 애플리케이션 시장(예: 고성능 전기차 vs. 유연한 웨어러블 기기)에서 선도적인 위치를 확보하기 위한 글로벌 초격차 기술 선점 목표를 반영합니다.
유럽은 배터리 산업의 자립화와 지속 가능성에 중점을 둔 정책을 추진하고 있습니다. 유럽연합(EU)은 배터리 생산 시 재활용된 금속 사용을 의무화하는 등 자원 순환 및 환경 영향을 최소화하기 위한 정책을 추진 중입니다. 유럽 내 배터리 생산 강화 및 공급망 구축을 위해 European Battery Alliance(EBA)와 같은 연합체를 통해 공장 설립 및 기술 개발을 지원하고, 기가팩토리 건설을 가속화하고 있습니다. 실제로 EU 집행위원회는 대만 ProLogium Technologies에 50억 달러 이상의 보조금을 승인하고 프랑스에 기가팩토리를 건설할 예정입니다. 또한, 2024년 3월 유럽의회를 통과한 EU 배터리 규제는 2kWh 이상의 산업용 및 자동차용 배터리에 '배터리 여권' 시스템을 의무화하여 재료 원산지, 탄소 발자국, 내구성, 재활용 이력 등을 상세히 기록하도록 합니다. 이러한 규제는 배터리 공급망의 투명성을 강화하고 유럽 내 배터리 산업의 경쟁력을 높이는 동시에, 중국 등 외부 의존도를 줄이려는 지정학적 전략의 일환으로 분석됩니다.
미국 또한 전고체 배터리 기술 개발에 대한 투자를 확대하고 있습니다. 2024년 미국 고체 배터리 시장은 2억 5천만 달러 이상으로 평가되었으며 , 미국의 선도적인 자동차 제조업체들은 새로운 배터리 기술에 많은 투자를 하고 있습니다. 이는 지속 가능한 에너지 시스템 채택이 비즈니스 성장을 이끌 것이라는 전망에 기반합니다. 특히 트럼프 행정부의 보호무역주의 강화 및 중국 공급망 견제와 같은 정책 기조는 차세대 전고체 배터리 개발 경쟁을 가속화하는 요인으로 작용하고 있습니다. SK온이 미국 솔리드 파워에 5,200만 달러를 투자한 사례는 이러한 미국 시장의 중요성을 보여줍니다. 전고체 배터리 기술의 개발과 상용화는 단순히 기술적 우위를 넘어, 각국의 에너지 독립성, 경제적 경쟁력, 그리고 환경 목표 달성을 위한 핵심적인 지정학적 전략의 영향을 크게 받고 있습니다. 이는 시장 성공이 기술적 우수성뿐만 아니라 국가 및 지역의 산업 정책, 무역 협정, 그리고 지정학적 긴장 관계와도 밀접하게 연관되어 있음을 의미합니다. 따라서 기업들은 복잡한 규제 환경을 이해하고 현지 생산을 고려하는 등 다각적인 전략을 수립해야 합니다.
전고체 배터리 시장 현황 및 전망
4.1. 시장 규모 및 성장 예측
전고체 배터리 시장은 초기 단계에 있으나, 향후 폭발적인 성장이 예상됩니다. 2024년 글로벌 전고체 배터리 시장 규모는 시장조사기관별로 다소 차이를 보입니다. Fortune Business Insights는 약 9,896만 달러(약 1억 달러)로 평가했으며 , Grand View Research는 11억 8천만 달러 , The Business Research Company는 7억 6천만 달러로 추정했습니다.
향후 시장 성장률 예측 또한 기관별로 편차가 큽니다. Fortune Business Insights는 2025년 1억 1,900만 달러에서 2032년 13억 5,918만 달러로, 2025-2032년 연평균 성장률(CAGR) 41.61%를 예측합니다. Grand View Research는 2025년 16억 달러에서 2030년 150억 7천만 달러로, 2025-2030년 CAGR 56.6%의 높은 성장을 전망합니다. The Business Research Company는 2025년 11억 3천만 달러에서 2029년 46억 3천만 달러로, 2025-2029년 CAGR 42.1% 성장을 예상합니다. Research Nester는 2025년 전고체 자동차 배터리 시장을 11억 4천만 달러로 평가하며, 2037년에는 20억 2천만 달러를 넘어설 것으로 예상합니다(CAGR 4.8%).
SNE Research는 전고체 배터리 시장이 2025년 이후 전기차 탑재와 함께 확대될 것이며, 2030년에는 400억 달러에 이를 것으로 예측합니다. 또한, 전지 용량 면에서는 2030년 약 149GWh, 2035년 약 950GWh 시장이 전망되며, 전체 전지의 약 10%를 전고체 전지가 차지할 것으로 예상합니다. 그러나 SNE Research는 2030년 글로벌 전기차 배터리 시장에서 전고체 배터리의 침투율이 4% 정도에 그칠 것이라는 보수적인 전망도 제시했습니다. 저고도 항공 부문에서는 트렌드포스가 글로벌 전고체 배터리 수요가 2024년 0.6GWh에서 2030년 86GWh, 2035년 302GWh로 급증할 것으로 관측했습니다.
이처럼 시장 예측치에 큰 편차가 존재하는 것은 전고체 배터리 기술 상용화의 높은 불확실성을 반영하는 동시에, 잠재적 성장 가능성이 매우 크다는 것을 시사합니다. 이러한 편차의 원인은 여러 가지로 분석될 수 있습니다. 첫째, '전고체 배터리'의 정의가 기관마다 다를 수 있습니다. 일부 보고서는 '반고체' 또는 '하이브리드' 배터리를 포함하여 시장 규모를 산정하는 반면, 다른 보고서는 '순수 전고체'만을 포함할 수 있습니다. 반고체 배터리는 순수 전고체 배터리보다 산업화가 더 일찍 시작될 것으로 예상됩니다. 둘째, 기술적 난제 극복 및 비용 절감에 대한 낙관론의 차이입니다. 황화리튬(Li2S)과 같은 고가 원료의 비용 문제 및 복잡한 제조 공정 이 상용화의 큰 걸림돌로 작용합니다. 일부 예측은 이러한 허들이 빠르게 극복될 것으로 보는 반면, 다른 예측은 더 보수적인 시각을 가집니다. 셋째, 적용 분야 범위의 차이입니다. 일부 예측은 주로 전기차 시장에 초점을 맞추는 반면, 다른 예측은 소비자 가전, ESS, 드론, 항공우주 등 다양한 고부가가치 애플리케이션을 포함하여 시장 규모를 크게 산정합니다. 넷째, 대량 생산 시작 시점에 대한 가정의 차이입니다. 기업들의 양산 목표 시점이 2027년에서 2030년 이후로 다양하게 제시되고 있어 , 이에 따라 시장 진입 시점과 규모 예측이 달라질 수 있습니다. 이러한 시장 예측치의 큰 편차는 전고체 배터리 시장의 높은 불확실성을 보여주며, 기술적 돌파와 비용 절감 노력의 성과에 따라 시장이 급변할 수 있음을 의미합니다. 따라서 시장 참여자들은 지속적인 기술 발전과 비용 동향을 면밀히 주시하며 전략을 수립해야 합니다.
표 4: 전고체 배터리 글로벌 시장 규모 및 성장률 예측 (2024-2037)
| Fortune Business Insights | 9,896만 | 1억 1,900만 | 2025-2032 | 41.61% | - | 13억 5,918만 | - |
| Grand View Research | 11억 8천만 | 16억 | 2025-2030 | 56.6% | 150억 7천만 | - | - |
| The Business Research Company | 7억 6천만 | 11억 3천만 | 2025-2029 | 42.1% | - | - | - |
| Research Nester (자동차) | 11억 | 11억 4천만 | 2025-2037 | 4.8% | - | - | 20억 2천만 |
| SNE Research (전체 시장) | - | - | - | - | 400억 | - | - |
| SNE Research (전지 용량) | - | - | 2030년 | - | 149GWh | - | 950GWh (2035년) |
| TrendForce (저고도 항공) | 0.6GWh | - | 2024-2035 | - | 86GWh | - | 302GWh |
참고: 예측치 간의 큰 편차는 '전고체 배터리' 정의(순수/반고체 포함 여부), 기술 진보 및 비용 절감 가정, 적용 분야 범위, 상용화 시점 가정의 차이에서 기인할 수 있습니다.
4.2. 주요 적용 분야 및 잠재력
전고체 배터리는 그 혁신적인 특성 덕분에 다양한 고부가가치 산업 분야에서 '게임 체인저'로 부상할 잠재력을 가집니다.
전기차 (EV) 분야는 전고체 배터리의 가장 큰 시장이 될 것으로 예상됩니다. 전고체 배터리는 전기차의 1회 충전 주행 거리를 1,000km 이상으로 획기적으로 늘리고 , 충전 시간을 단축하여 전기차 산업을 근본적으로 혁신할 잠재력을 가집니다. 메르세데스-벤츠는 이미 전고체 배터리를 탑재한 EQS 전기차의 도로 테스트를 시작했으며, 1회 충전 주행거리 1,000km 이상을 목표로 합니다. 이는 소비자의 '주행거리 불안'을 해소하고 전기차의 대중화를 가속화하는 핵심 동인이 될 것입니다.
**에너지 저장 시스템 (ESS)**은 전고체 배터리의 또 다른 중요한 적용 분야입니다. 기존 리튬이온 배터리 ESS의 고질적인 화재 위험을 해결하고 , 에너지 밀도 및 효율성을 증대하여 재생 에너지 저장 시스템의 안정성과 시장 확대에 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 글로벌 ESS 시장은 2023년 기준 약 185GWh에서 2035년 약 1,232GWh까지 6배 이상 성장할 것으로 전망되며, 전고체 배터리는 이러한 성장을 뒷받침할 핵심 기술로 부상할 것입니다.
소형/웨어러블 기기 시장 또한 전고체 배터리의 중요한 초기 적용처가 될 수 있습니다. 전고체 배터리의 경량화, 고에너지 밀도, 고안전성, 그리고 유연한 형태 제작 가능성 등의 특성은 스마트워치, VR 헤드셋, 무선 이어폰, 스마트링 등 인체 밀착형 소형 IT 및 웨어러블 기기에 매우 적합합니다. 이는 기기의 사용 시간을 늘리고 디자인 자유도를 높이는 데 기여할 것입니다.
드론 및 항공우주 분야는 전고체 배터리의 고부가가치 적용 분야로 주목받고 있습니다. 고에너지 밀도, 고출력, 높은 안전성, 그리고 초고속 충전이 요구되는 플라잉카(eVTOL), 도심항공모빌리티(UAM), 무인 드론, 그리고 우주 위성체 등에 전고체 배터리가 적합합니다. 특히 드론의 경우 현재 20~30분에 불과한 비행 시간을 획기적으로 연장하고 , 극한 환경에서의 신뢰성을 증대하는 데 기여할 수 있습니다. eVTOL은 수직 이착륙 시 지상 주행보다 10~15배 더 많은 전력을 필요로 하므로, 전고체 배터리의 고출력 특성이 필수적입니다. 우주 위성체용 소형 전고체 배터리 개발도 진행 중이며, 히타치 조선은 우주에서의 1년간 시연을 성공적으로 완료했습니다.
다음 표는 전고체 배터리의 주요 적용 분야별 이점과 각 분야에서 요구되는 핵심 성능을 요약하여 보여줍니다.
표 5: 전고체 배터리 주요 적용 분야별 이점 및 요구 성능
| 전기차 (EV) | 주행거리 획기적 증가 (1,000km+), 충전 시간 단축, 화재 위험 해소 | 고에너지 밀도, 고속 충전, 높은 안전성, 긴 수명 |
| 에너지 저장 시스템 (ESS) | 화재 안전성 확보, 에너지 효율 증대, 대용량 저장 가능 | 높은 안전성, 대용량, 긴 수명, 높은 효율 |
| 소형/웨어러블 기기 | 소형화, 경량화, 사용 시간 증가, 디자인 유연성 | 고에너지 밀도, 안전성, 유연성, 소형화 |
| 드론 및 항공우주 | 비행 시간 연장, 고출력, 극한 환경 안정성, 안전성 | 고에너지 밀도, 고출력, 높은 안전성, 넓은 작동 온도 범위 |
4.3. 상용화의 도전 과제 및 제약 요인
전고체 배터리의 상용화는 기술적 진보에도 불구하고 여전히 여러 가지 도전 과제와 제약 요인에 직면해 있습니다.
높은 제조 비용 및 원가 경쟁력 확보는 전고체 배터리 상용화의 가장 큰 걸림돌입니다. 현재 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리 대비 4~25배 비싼 것으로 추정됩니다. 이는 높은 설비 투자 비용과 황화리튬(Li2S)과 같은 주요 소재의 고가 특성 때문입니다. 전기차 가격의 약 40%를 차지하는 배터리 비용을 고려할 때, 전고체 배터리의 높은 가격은 대중화에 큰 장애물로 작용합니다. 삼성SDI의 전고체 배터리에 은(Ag)이 핵심 소재로 사용될 경우, 전기차 1대당 1kg의 은이 필요할 수 있다는 예측은 고가 소재 사용의 비용 부담을 더욱 부각시킵니다. 이러한 비용 문제는 원가 절감을 위한 다층적인 접근을 요구합니다. 저가형 소재 개발, 생산 수율 향상, 그리고 효율적인 제조 공정 혁신이 동시에 이루어져야 합니다. 비용 문제 해결은 단순히 기술적 개선을 넘어, 경제적인 실현 가능성을 확보하여 전고체 배터리가 프리미엄 시장을 넘어 대중 시장으로 확장될 수 있는 기반을 마련하는 데 필수적입니다.
대량 생산 공정의 난이도 및 수율 문제 또한 중요한 제약 요인입니다. 고체 전해질 소재를 대량으로 균질하게 합성하고, 이를 셀 내부에 정밀하게 적층·압착하는 공정은 액체 전해질 주입 방식보다 훨씬 까다롭고 복잡합니다. 이는 낮은 생산 수율로 이어져 제조 비용을 더욱 상승시키는 악순환을 초래합니다. 특히 고체-고체 계면의 접촉 불량은 배터리 성능 저하의 주요 원인입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 습식합성법, 광소결 기술, 건식 전극 공정 등 새로운 제조 공정 기술 개발을 통해 생산성 향상 및 비용 절감을 시도하고 있으며 , 정수압 장비, 롤프레스 방식 등 대량 생산에 적합한 장비 개발도 중요하게 다루어지고 있습니다. 반도체 공정 기술 융합, AI 기반 검사/진단 기술 도입 등을 통해 수율을 향상시키고 신뢰성을 확보하려는 노력도 병행됩니다.
마지막으로, 기술 표준화 부족은 전고체 배터리 시장의 확대를 제한할 수 있는 잠재적 위험 요소입니다. 다양한 기업과 연구기관이 각기 다른 고체 전해질 소재 및 셀 구조를 개발하고 있어, 통일된 기술 표준이 부재합니다. 이는 시장의 파편화를 초래하고, 서로 다른 기술 노선 간의 호환성 문제를 야기하며, 궁극적으로는 대량 생산 및 광범위한 시장 채택을 지연시킬 수 있습니다. 표준화가 부족하면 배터리 제조사, 완성차 업체, 충전 인프라 제공업체 등 생태계 내 다양한 이해관계자 간의 협력이 어려워지고, 이는 규모의 경제 달성을 저해하여 비용 절감에도 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 업계와 정부의 협력을 통해 기술 표준을 마련하고, 다양한 기술 노선 간의 호환성을 확보하는 노력이 전고체 배터리 시장의 성숙을 가속화하는 데 필수적입니다. EU의 '배터리 여권' 시스템 도입과 같은 규제적 접근은 이러한 표준화 및 투명성 확보 노력의 한 예시로 볼 수 있습니다.
결론 및 시사점
고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 안전성, 에너지 밀도, 충전 속도, 수명, 온도 안정성 등 핵심적인 한계를 극복할 '게임 체인저'로 평가받고 있습니다. 현재 황화물계, 산화물계, 고분자계 등 다양한 고체 전해질에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 낮은 이온 전도도, 높은 계면 저항, 리튬 덴드라이트 형성, 복잡한 제조 공정 및 높은 비용 등의 기술적/생산적 난제를 해결하기 위한 다각적인 노력이 경주되고 있습니다.
글로벌 선도 기업들은 2027년에서 2030년경 상용화를 목표로 파일럿 라인 구축 및 샘플 공급을 통해 기술 검증 및 양산 준비에 박차를 가하고 있습니다. 토요타, 삼성SDI, LG에너지솔루션 등 주요 플레이어들은 각자의 강점을 활용한 기술 로드맵을 추진하고 있으며, 중국 기업들도 정부의 대규모 지원을 등에 업고 빠르게 추격하며 경쟁 구도를 심화시키고 있습니다. 각국 정부는 전고체 배터리 기술을 국가 전략 기술로 인식하고 대규모 R&D 투자 및 산업 지원 정책을 펼치며 주도권 확보 경쟁을 가속화하고 있습니다.
향후 전고체 배터리 시장은 전기차, ESS, 소형/웨어러블 기기, 드론 및 항공우주 등 다양한 고부가가치 산업 분야에서 폭발적인 성장이 예상됩니다. 초기에는 프리미엄 전기차 및 특수 목적 기기 시장을 중심으로 침투율을 높일 것으로 보입니다. 기술적으로는 고체 전해질의 이온 전도도 향상, 계면 안정화 기술 고도화, 리튬메탈 음극의 안정적 적용, 그리고 대량 생산을 위한 공정 혁신 및 비용 절감이 핵심 과제로 남아 있습니다. 특히 반도체, 인쇄 회로 기판(PCB) 등 이종 산업의 첨단 제조 기술을 배터리 생산에 융합하여 제조 난이도를 극복하는 것이 중요할 것입니다. 시장 예측치에는 큰 편차가 존재하지만, 이는 기술 상용화의 불확실성을 반영하는 동시에 잠재적 성장 가능성이 매우 크다는 것을 시사합니다.
전고체 배터리 시장의 광범위한 확산은 기술적 완성도와 경제성의 교차점에서 이루어질 것입니다. 즉, 전고체 배터리가 단순히 실험실 수준의 성능을 넘어, 기존 리튬이온 배터리와 경쟁할 수 있는 수준의 비용 효율성과 대량 생산 가능성을 확보할 때 비로소 '티핑 포인트'에 도달할 것입니다. 이는 프리미엄 시장을 넘어 대중 시장으로의 진입을 위한 필수적인 전제 조건입니다.
이러한 분석을 바탕으로 전고체 배터리 상용화를 위한 다음과 같은 전략적 제언을 제시합니다.
- 기술 혁신 가속화: 고체 전해질 소재 및 계면 기술 연구에 대한 지속적인 투자를 확대하고, 대량 생산을 위한 혁신적인 공정 기술 개발에 집중해야 합니다. 특히 AI, 시뮬레이션 등 첨단 기술을 활용하여 연구 효율을 증대하고 개발 기간을 단축하는 노력이 필요합니다.
- 비용 경쟁력 확보: 원가 절감을 위한 저가형 소재 개발 및 생산 수율 향상을 위한 자동화, 스마트 팩토리 시스템 도입이 필수적입니다. 초기 시장 진입을 위한 전략적 가격 책정 방안도 모색하여 시장 수용성을 높여야 합니다.
- 글로벌 협력 및 표준화 주도: 기술 표준화 부족 문제를 해결하기 위해 국제적인 협력을 강화하고, 주요 플레이어들과의 파트너십을 통해 기술 생태계를 구축하며, 미래 표준을 선점하기 위한 노력이 필요합니다. 이는 시장의 파편화를 방지하고 산업 전반의 효율성을 높이는 데 기여할 것입니다.
- 정부의 지속적인 지원: 각국 정부는 전고체 배터리를 국가 핵심 기술로 인식하고, 장기적인 R&D 투자, 세액 공제, 보조금 등 정책적 지원을 확대하여 민간 기업의 리스크를 분담하고 상용화를 촉진해야 합니다.
- 다각적인 시장 접근: 전기차뿐만 아니라 ESS, 웨어러블, 드론/항공우주 등 다양한 고부가가치 애플리케이션 시장의 특성을 고려한 맞춤형 기술 개발 및 시장 진입 전략을 수립해야 합니다. 이는 초기 시장의 안정적인 확보와 기술 성숙을 위한 중요한 단계가 될 것입니다.