손권남 LG에너지솔루션 센터장
"고분자계/황화물계 전고체 배터리 2028~2030년 상용화 목표"
LG에너지솔루션이 8년 후 전고체 배터리 시장에서 고분자 및 황화물계 배터리가 차지하는 비중을 각각 48%, 27%로 전망했다. 전체 전고체 배터리 시장에서 75%대 비중을 차지할 것으로 내다본 것이다. LG에너지솔루션은 고분자계 전고체 배터리는 2028년에 800리터당 와트시(Wh/L), 황화물계 전고체 배터리는 2030년에 900Wh/L 이상 규모로 상용화활 계획이다.
손권남 LG에너지솔루션 센터장은 18일 인터배터리 2022 부대 행사인 '더배터리컨퍼런스 2022'의 LG에너지솔루션의 '전고체 배터리' 전략 주제 강연에서 위와 같이 전망했다.
손권남 센터장은 2030년 글로벌 배터리 시장 규모가 3670GWh에 이를 것으로 전망했다. 그중 전고체 배터리는 3.7%에 해당하는 135GWh가 될 것으로 보고, 고분자/황화물/산화물/하이브리드 계열 전고체 배터리가 각각 65GWh, 37GWh, 21GWh, 10GWh 수준이 될 것으로 전망했다.
손 센터장은 고분자계 전고체 배터리의 비중을 높게 전망한 이유에 대해 "기존 리튬이온 배터리 공정을 활용할 수 있어 공정 및 셀 제작 난이도가 낮기 때문"이라고 설명했다.
고분자계 전고체 배터리는 액체 전해질이나 무기계 고체 전해질을 포함하는 다양한 전해질과 호환성 있는 하이브리드 형태로 사용 가능한 장점이 있다. 공정/셀 시스템 관점에서도 리튬이온 배터리 공정을 대부분 사용할 수 있다.
반면 고분자계 전고체 배터리의 단점으로는 황화물/산화물계 소재 대비 낮은 이온전도도를 꼽았다. 흑연 음극만 적용하면 부피당 에너지밀도도 낮아서 흑연과 실리콘을 혼합한 고용량 음극재를 적용해야 600Wh/L 수준의 배터리를 구현할 수 있을 것으로 내다봤다.
황화물계 전고체 배터리는 가장 높은 이온전도도를 보유하고 900Wh/L 이상의 높은 에너지 밀도로 구현할 수 있는 것이 장점이다. 반고체 배터리와 다르게 액체 전해질을 사용하지 않아서 안전성도 높다. 고용량 리튬메탈 음극이나 음극 활물질이 없는 형태로 셀을 구성할 수 있다.
하지만 황화물계 전고체 배터리는 수분과 반응해서 황화수소가스가 발생한다. 이로 인해 내수분성을 높일 수 있는 소재 개발이 필요하고 기존 전극 생산 공정을 사용하기 어렵다. 독자적인 건식 공정을 개발해야 한다. 셀 제조 공정 및 구동 시 매우 높은 가압이 필요하다. 이를 구현하기 위한 모듈/팩 레벨에서의 가압 구조를 개발하거나 저가압 구조에서도 구동 가능한 소재를 개발해야 할 필요성이 있다.
황화물계 배터리의 이러한 문제점을 극복하기 위한 연구도 진행 중이다. 소재 관점에서 원소를 치환해 높은 이온전도도를 가질 수 있고, 수분 취약성 해결을 위해 산소를 도핑하는 방식으로 내수분성 안전성을 높이는 연구 결과가 최근 발표됐다. 이러한 문제점이 해결된 황화물계 전고체 배터리는 리튬 메탈 음극을 적용하거나 음극에 활물질이 없는 무음극 전극을 사용해서 900Wh/L 이상의 초고에너지 밀도 셀 구현이 가능하다.
손 센터장은 "LG에너지솔루션은 2017년부터 오픈이노베이션을 통해 배터리 분야의 우수 연구자 및 기관과 기술 협력을 진행 중에 있다"며 "고분자계 기술을 통해 안전성이 개선된 셀을 상업화하고, 고에너지 밀도의 황화물계 전고체 전기를 개발해 안전성을 높이고 주행거리를 확대하는 기술을 확보할 계획"이라고 말했다.
한편, 손권남 LG에너지솔루션 센터장은 2002년부터 LG화학 정보전자소재연구소 및 나노센터에서 선임 연구원으로 근무했다. 2012년에는 LG화학 중앙연구소에서 책임연구원 및 리튬-황 전지 개발 프로젝트 리더를 맡았다. 2021년 LG에너지솔루션 배터리 연구소에서 리튬-황 배터리 개발 프로젝트 리더로 활동하다 현재 LG에너지솔루션 차세대전지 개발 센터장으로 재직 중이다.
