전자제품, 전기차 등의 산업 발전에 따라 배터리 제조 기술의 혁신도 거듭되고 있습니다. 각국 정부를 비롯해 배터리 기업들은 리튬이온배터리를 대체할 만한 차세대 배터리를 개발하기 위해 끊임없이 노력하고 있는데요. 그렇다면, 차세대 배터리에는 어떤 것이 있을까요?
Q. 차세대 배터리에는 어떤 것이 있나요?
차세대 배터리는 현재 널리 사용되고 있는 리튬이온배터리를 보완하거나 대체할 가능성이 있는 미래형 배터리 기술을 의미합니다.
현재 배터리 시장에서는 리튬이온배터리가 대세를 이루고 있는데요. 이를 상당 부분 또는 대부분 대체할 수 있는 기술이 차세대 배터리라 볼 수 있습니다.
또 차세대 배터리는 리튬이온배터리보다 더 높은 에너지 밀도와 출력, 높은 안전성, 가격 경쟁력등을 갖추는 것이 중요한 조건입니다. 이러한 조건을 만족할 것으로 기대되는 대표적인 차세대 배터리로는 전고체 배터리, 리튬황배터리, 소듐이온배터리 등이 주목받고 있습니다.
Q. 전고체 배터리의 특징은 어떻게 되나요?
리튬이온배터리의 구성 요소 중 리튬이온의 이동을 돕는 ‘전해질’은 액체의 성질을 띠고 있어 ‘전해액’이라고도 부릅니다. 또한 양극과 음극이 직접 만나지 않도록 전해질 사이에 분리막을 두는 구조로 설계되어 있습니다.
전고체 배터리는 이 액체 전해질을 고체 전해질로 바꾼 배터리입니다. 고체 전해질은 그 자체로 분리막 역할을 하기 때문에 구조적으로 단단하고 안정적인 특징을 갖습니다. 이러한 특성을 활용하면 양극과 음극이 접촉하면서 발생할 수 있는 위험을 줄이고, 외부 충격으로 전해질이 손상되더라도 형태를 유지할 수 있어 배터리 안전성을 높이는 데 도움이 됩니다.
또한 별도의 분리막이 필요하지 않아 그 공간에 활물질을 더 많이 채울 수 있습니다. 이 때문에 전기차 배터리 모듈이나 팩을 구성할 때 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다는 장점이 있습니다.
이처럼 안전성과 에너지 밀도를 동시에 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있어 전고체 배터리는 차세대 전기차 배터리 기술로 주목받으며 활발한 연구 개발이 진행되고 있습니다.
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Q. 리튬황배터리는 무엇인가요?
리튬황배터리는 양극재에 황(Sulfur)을 사용하고 음극재에는 리튬 금속을 사용하는 배터리입니다.
현재 상용 리튬이온배터리의 양극재에는 코발트와 같은 값비싼 금속이 사용되는데요. 리튬황배터리는 이러한 금속 대신 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 황 소재를 사용할 수 있습니다.
리튬황배터리는 이론적으로 500Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 구현할 수 있어 기존 리튬이온배터리보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 달성할 가능성이 있습니다. 또한 코발트, 니켈 등 희귀 금속 사용을 줄일 수 있어 친환경성과 가격 경쟁력 측면에서도 주목받고 있습니다.
특히 기존 리튬이온배터리 대비 가볍다는 특징 때문에 리튬황배터리는 드론, 항공기 등 장시간 비행이 필요한 미래 운송 수단에 활용될 가능성이 높은 배터리로 평가됩니다.
실제로 2020년에는 LG에너지솔루션과 한국항공우주연구원이 리튬황배터리를 탑재한 고고도 장기 체공 태양광 무인기를 개발하여 성층권 최고 고도에서 13시간 시험 비행에 성공하며 많은 관심을 모으기도 했습니다.
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Q. 소듐이온배터리는 무엇인가요?
소듐이온배터리는 소듐 이온(Na⁺)이 양극과 음극 사이를 이동하며 전기를 저장하고 방출하는 배터리입니다. 작동 원리는 리튬이온배터리와 유사하지만, 전극 소재로 리튬 대신 소듐(나트륨)을 사용한다는 차이가 있습니다.
소듐이온배터리의 양극재에는 소듐 전이금속 산화물(NaTMO₂)과 다가음이온 계열, 프러시안 블루(Prussian Blue) 유도체 등이 활용됩니다. 소듐이온배터리의 음극재로는 하드 카본(Hard Carbon)이나 소프트 카본(Soft Carbon)과 같은 탄소계 물질이 주로 사용됩니다. 전해질에는 소듐염이 녹아 있는 유기계 액체 전해질이 사용됩니다.
소듐은 지구상에서 풍부하게 존재하는 원소로 암염이나 해수 형태로 널리 분포되어 있습니다. 이러한 특성 덕분에 소듐이온배터리는 원료 공급 안정성과 가격 경쟁력 측면에서 장점을 가질 수 있습니다. 또한 리튬이온배터리가 음극 집전체로 구리를 사용하는 것과 달리, 소듐이온배터리는 상대적으로 경제성이 있는 알루미늄 집전체를 사용할 수 있어, 비용 절감 효과도 기대됩니다.
이와 함께 일부 전극 소재를 사용할 경우 저온 환경에서도 비교적 안정적인 성능을 유지할 수 있다는 특징이 있습니다. 이러한 특성 때문에 소듐이온배터리는 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 기대되는 차세대 배터리 기술로 주목받고 있습니다.
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Q. LG에너지솔루션은 차세대 배터리를 확보하기 위해 어떤 노력을 하고 있나요?
LG에너지솔루션은 차세대 배터리 기술 개발과 신사업 추진을 통해 지속 가능한 미래를 만들어 가겠다는 목표를 가지고 있습니다. 이를 위해 전 세계 유수 대학 및 연구기관과 협력하며 차세대 배터리 연구를 진행하고 있습니다.
해외에서는 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 MEET(Münster Electrochemical Energy Technology), 헬름홀츠 연구소 뮌스터 지부(Helmholtz-Institute Münster) 등과 함께 FRL(Frontier Research Lab)을 설립했습니다. 미국 UCSD FRL에서는 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 연구하고 있으며, 독일 MEET FRL에서는 차세대 양극재 기술, 실리콘 음극재 기술, 친환경 공정 관련 연구를 진행하고 있습니다.
특히 2026년 3월에는 UCSD와 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학(Pritzker School of Molecular Engineering)과 공동 운영 중인 FRL에서 전고체 배터리 기반 황 양극 기술 구현에 성공했습니다. 황은 기존 액체 전해질 배터리에서는 충·방전 과정에서 생성된 황 화합물이 전해질로 빠져나가는 폴리설파이드(Polysulfide) 용출 현상 때문에 수명과 안정성 확보에 어려움이 있었습니다. 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 고체 전해질을 적용한 전고체 배터리 구조를 도입했고, 그 결과 약 1,500mAh/g 수준의 용량과 안정적인 수명 특성을 구현하는 데 성공했습니다.
또한 LG에너지솔루션은 KAIST, POSTECH(포항공과대학교), 서울대학교 등 국내 주요 대학과도 차세대 배터리 연구 협력을 이어가고 있습니다. KAIST에서는 전고체 배터리와 건식 전극 공정, 리튬황배터리 관련 기술을 연구하고 있으며, POSTECH과는 고속 충전 장수명 배터리 소재 개발과 고성능 전극 소재 및 공정 기술 개발을 진행하고 있습니다. 서울대학교와도 황화물계 전고체 배터리와 리튬황배터리용 소재 개발 연구를 추진하고 있습니다.
핵심 요약
● LG에너지솔루션은 전 세계 대학 및 연구기관과 협력하며 차세대 배터리 기술 개발을 통해 지속 가능한 배터리 산업의 미래를 준비하고 있습니다.
● 차세대 배터리는 현재 널리 사용되는 리튬이온배터리를 보완하거나 대체할 가능성이 있는 미래 배터리 기술을 의미합니다.
● 대표적인 차세대 배터리로는 전고체 배터리, 리튬황배터리, 소듐이온배터리 등이 있으며, 높은 에너지 밀도와 가격 경쟁력, 안전성 측면에서 주목받고 있습니다.
지금까지 차세대 배터리로 주목받고 있는 전고체 배터리와 리튬황배터리, 소듐이온배터리에 대해 자세히 알아보았습니다. 지속 가능한 미래를 만들어 줄 차세대 배터리는 앞으로 어떤 형태로 우리 앞에 나타날지 많은 관심을 가지고 지켜봐 주세요!
