배터리에 관한 다음 큰 뉴스는 거의 매번 ‘고체’라는 단어를 피할 수 없다. 이는 액체 리튬 배터리 이후의 궁극적인 형태로 여겨지지만, 해마다 “곧 나올 것”이라는 말이 나오면서도 여전히 실험실 단계에 머물러 있다.
1. 솔리드 스테이트는 도대체 무엇이 바뀌었는가
현재의 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하는데, 이는 전도 역할을 하는 동시에 누출되기 쉽고 고온에 취약합니다. 고체 배터리는 이를 고체 전해질로 교체하고, 아울러 리튬 금속 음극을 사용할 수 있어 에너지 밀도가 현재의 킬로그램당 200와트시 이상에서 400, 심지어 500까지 높아질 가능성이 있다. 불연성이며 작동 온도 범위가 넓어, 듣기만 해도 장점 투성이다.
2. 각기 다른 의도를 품은 몇 가지 노선
고분자 방식은 기존 생산 라인과 가장 유사하지만, 실온 전도도가 낮은 편이다. 산화물(예: 석류석 구조의 LLZO)은 안정적이지만 단단하고 부서지기 쉬우며, 계면 접합이 어렵다. 황화물의 이온 전도도가 가장 높아, 도요타와 삼성이 중점적으로 투자하고 있는 분야이지만, 물과 산소에 취약하여 제조 환경에 매우 까다롭습니다.
| 경로 | 이온 전도도 | 표면 접촉 | 양산 난이도 |
|---|---|---|---|
| 고분자 | 다소 낮은 | 좋아요 | 낮음 |
| 산화물 | 중 | 어렵다 | 중 |
| 황화물 | 높은 | 중 | 고 (물과 산소에 약함) |
3. 양산까지는 아직 얼마나 남았는가
반고체 배터리는 이미 한발 앞서 차량에 탑재되기 시작했는데, 예를 들어 니오(NIO)의 초기 150kWh 반고체 배터리 팩은 고체 배터리의 ‘예비 버전’으로 볼 수 있다. 전고체 배터리 부문에서는 도요타가 2027~2028년을 시범 도입 시기로 제시했으며, 중국의 닝더와 웨이란도 이를 추진하고 있다. 하지만 전고체 배터리가 진정으로 대규모로 보급되기 위해서는 고체-고체 계면의 임피던스, 리튬 다지정, 그리고 비용이라는 세 가지 큰 난관을 먼저 해결해야 하며, 일반적으로 5년에서 10년 정도가 더 걸릴 것으로 전망된다.
따라서 고체 배터리는 ‘내일 바로’ 등장하는 것이 아니라, 이미 문 앞까지 와 있지만 문이 아직 조금 무거운 상태입니다.