LG엔솔, 업계 유일 고분자·황화물 고체전해질 개발 중
삼성SDI, 전고체 파일럿 설비 착공 등 로드맵 공개
SK온, 배터리셀 화재 0건 가능케 한 제조 과정 공개
올해 250개사 700부스 참여, 이전보다 규모 1.5배↑

국내 유일 배터리 전문 행사인 '인터배터리 2022'가 17일부터 19일까지 서울 코엑스 전시장에서 열렸다. 올해 전시회에는 250개사가 700부스로 참여했고 바이어도 3만명이 참가하면서 이전보다 규모가 1.5배나 커졌다. 

배터리 3총사인 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온이 단연 주목을 받은 가운데 3사의 전시 특징은 전고체와 안전으로 나뉘어 졌다. LG엔솔과 삼성SDI는 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리 기술에 방점을 찍었고, 이와 달리 SK온은 안전에 방점을 찍었다.

두 키워드 모두 시장의 핫 이슈지만 전고체는 미래 시장에, 안전은 현재 시장에 초점을 맞추고 있다는 점이 다르다. 여기에서 3사의 각기 다른 경영 전략을 읽을 수 있다.

전고체 배터리란 배터리의 4대 요소인 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 중 액체 전해질을 고체로 바꾼 것을 말한다. 액체 전해질은 단락 시 인화물질이 돼 화재 및 폭발로 이어질 수 있다. 액체를 고체로 바꾸면 화재 안전성이 대폭 향상되고 이를 통해 보다 성능 좋은 극재료를 쓸 수 있어 에너지밀도도 높아진다.  

고체 전해질은 무기계의 황화물계와 산화물계, 유기계의 드라이 폴리머와 겔 폴리머가 있다.

황화물계는 10-²~10-³/cm의 높은 이온전도도와 전극 및 전해질간 접촉계면 형성이 용이하다는 장점이 있다. 반면 높은 수분 반응성 때문에 공기 중 안전성이 취약하고 공간전하층 형성에 따른 전극과 전해질 계면에서의 고저항층이 발생한다는 단점이 있다.

산화물계는 공기 중 안전성이 우수하고 10-³~10-⁴/cm의 비교적 높은 이온전도도가 장점이나 입계 저항이 크고 전극 및 전해질간 접촉계면 형성이 곤란하며 1000℃ 이상의 높은 소결온도, 대면적 셀 구동 곤란 등이 단점으로 꼽힌다.

드라이 폴리머(고분자)는 전극 계면과 밀착성이 우수해 롤투롤 공정 적용이 용이하지만 낮은 이온전도도와 고온 환경에서만 사용이 가능하다는 단점이 있다.

겔 폴리머는 전극 계면과 밀착성이 우수하고 이온전도도가 양호하다는 장점이 있으나 낮은 기계적 강도로 단락 우려가 있다는 단점이 있다.

일본 후지경제연구소는 글로벌 전고체 배터리시장 규모가 2035년 2조8000억엔 규모로 형성되고 이 가운데 황화물 계열이 2조1200억엔, 산화물 계열이 6000억엔으로 전망했다.

SNE리서치는 전고체 배터리를 탑재한 전기차가 2030년 200만대로 총 전기차 시장의 10%를 차지할 것으로 전망했다.

◆LG엔솔, 업계 유일 고분자·황화물 고체전해질 개발

LG엔솔은 총 540㎡(60개 부스) 규모의 전시공간에 ‘고객이 신뢰하고 사랑하는 세계 최고의 기업’을 핵심 주제로 참가했다. ESG(환경·사회·지배구조) 전략을 비롯해 차세대 배터리, 소재·공정 혁신 기술을 선보였다.

LG엔솔은 핵심경쟁력 및 미래기술 전시존에서 고에너지 밀도의 경량 리튬황 배터리를 비롯해 전고체 배터리(고분자계, 황화물계) 등 차세대 배터리를 선보였다. LG엔솔은 업계 유일하게 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 개발 중이다.

LG엔솔은 2020년 9월 리튬황 배터리의 성층권 시험비행에 성공했다. 이 배터리는 에너지밀도가 kg당 410Wh로 기존보다 37%가량 향상된 것이다. 여기에 고체전해질을 사용하면 밀도를 더욱 높일 수 있다.

또한 LG엔솔은 업계 최초로 4원계 배터리 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄)과 기존 대비 에너지 밀도가 16%, 주행거리가 20% 이상 향상되는 롱셀(Long Cell) 등도 선보였다.

LG엔솔은 신형 배터리 등이 탑재된 GM허머, 테슬라 모델Y 등 완성차를 비롯해 정보통신기술(ICT) 디바이스, 가정용 ESS, BSS(Battery Swapping Station) 교환기, 전기자전거, E-스쿠터, 전동공구 등 다양한 제품을 자랑했다.

또한 업계 최초로 RE100, EV100 동시 가입 내용을 비롯해 사용후 배터리의 재사용 및 재활용을 통한 배터리의 자원 선순환 시스템 구축을 위한 노력도 함께 소개했다.

◆삼성SDI, 전고체 파일럿 착공 등 로드맵 공개

삼성SDI는 ‘PRiMX로 만들어가는 우리의 빛나는 미래(Our Bright Future with PRiMX)’라는 주제 아래 각형·원통형·파우치형·버튼형 등 다양한 형태의 배터리와 이 배터리가 탑재된 전기차, ESS, 전동공구, IT 디바이스, 지능형 서비스 로봇 등을 선보였다.

특히 신규 BMW 차량에 탑재되는 젠5 배터리를 비롯해 차세대 젠6 배터리 로드맵, 전고체 배터리 로드맵, 코발트 프리(Co-Free) 기술 등 차별화된 기술력을 소개했다. 이 가운데 전고체 배터리 로드맵은 가장 관람객의 관심을 끌었다. 최근 삼성SDI가 고체전해질 파일럿 설비 착공에 들어갔기 때문이다. 

고체전해질 파일럿 설비는 경기도 수원 영통구 SDI연구소 내에 약 6500㎡(약 2000평) 면적에 구축된다. 전고체 배터리 전용 극판 및 고체 전해질 공정 설비, 배터리 내부의 이온 전달이 원활히 이뤄지도록 만들어주는 셀 조립 설비를 비롯한 신규 공법과 인프라가 설치될 예정이다.

삼성SDI 전고체 기술은 삼성전자 종합기술원 기술을 기반으로 하고 있다. 이용건 박사를 비롯한 연구진은 전고체 배터리 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C nanocomposite layer)을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 세계 최초로 개발하고 이에 대한 논문을 2020년 3월 10일 네이처 에너지에 게재했다. 

이를 통해 전고체 배터리의 고질적 문제인 덴드라이트를 해소했으며, 1회 충전에 800km 주행, 1000회 이상 충방전 사이클 성능도 확인했다. 삼성SDI는 2025년 시제품 생산, 2027년 상용화를 목표로 하고 있다.

◆SK온, 지금까지 화재 0건 만든 제조기술 선봬

SK온은 450㎡ 규모에 ‘파워 온(Power On; 추진하다)’을 주제로 전시를 구성했다. 

스타트온 존에서는 NCM9 배터리를 전면에 배치했다. 양극재 소재 중 니켈 비중이 90%를 뜻하는 NCM9는 현존 리튬이온 배터리 중 최고 수준의 성능을 내는 고성능 배터리다. 올해 초 미국 CES2022에서 혁신상을 두 개나 받았다.

올웨이즈온 존에서는 지금까지 전기차에 약 3억개의 배터리 셀을 탑재하는 동안 화재가 단 한 건도 발생하지 않은 업계 최고 안전 기술을 제조 과정으로 보여줬다.

양극과 음극의 접촉을 차단하는 프리미엄 분리막과 분리막을 쌓는 기술인 Z-폴딩 기법을 소개했으며 특정 배터리셀에서 화재가 발생했을 때 배터리팩 전체로 번지지 않도록 열을 차단하는 ‘S-Pack’ 기술, 고성능 배터리를 제조할 수 있는 최고 품질의 양극재도 전시했다.

SK온은 운전자에게 배터리 수명, 이상 현상 등을 감지해 알려주는 배터리 진단 서비스도 소개했다. 이 서비스는 SK온이 자체 개발한 ‘BaaS AI(Battery as a Service Artificial Intelligence)’를 통해 배터리 상태를 모니터링한다.

SK온은 연 생산능력을 지난해 말 40GWh에서 2030년까지 500GWh로 확대해 글로벌 1위로 올라선다는 계획이다. 수주잔고는 1600GWh 규모로 이미 글로벌 최고 수준이다.