더 오래, 더 빠르게, 더 안전하게. 흔히 ‘꿈의 배터리’라고 불리는 차세대 배터리에는 다양한 기대가 담겨 있습니다.
차세대 배터리는 발전된 성능을 구현하기 위해 다방면으로 연구되고 있습니다. 에너지 밀도와 안전성을 높이기 위해 소재를 바꾸기도 하고, 공간 효율이나 출력을 높이기 위해 배터리 구조를 새롭게 설계하기도 합니다. 리튬황배터리, 전고체배터리, 소듐이온배터리, 무음극전지, 바이폴라 배터리 등이 주목받는 이유도 여기에 있습니다.
이번 시간에는 차세대 배터리의 종류와 특징을 살펴보고, 각 배터리가 분야에서 활용될 수 있는지 알아봅니다.
가벼운 무게를 앞세운 리튬황배터리
리튬황배터리는 양극에 황-탄소복합체(S/C Composite Material)를, 음극에 경량의 리튬메탈을 사용하는 차세대 배터리입니다. 기존 리튬이온배터리와 달리, 비교적 가벼운 전극 소재를 적용한 것이 특징입니다.
리튬황배터리의 가장 큰 강점은 높은 무게 에너지 밀도와 가격 경쟁력입니다. 황의 이론 용량은 약 1,675mAh/g로 NCM 양극재보다 높고, 음극에 활용되는 리튬메탈도 흑연보다 무게당 용량이 훨씬 큽니다. 덕분에 같은 무게에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있죠. 또한 황은 지구상에 비교적 풍부한 원소여서, 소재 확보와 가격 경쟁력 측면에서도 유리합니다.
리튬황배터리는 드론, 무인기, UAM(Urban Air Mobility)처럼 배터리 무게가 성능에 큰 영향을 주는 항공 모빌리티 분야에서 주목받고 있습니다. 같은 에너지를 더 가볍게 저장할 수 있다면 비행 시간과 이동 거리를 늘리는 데 도움이 될 수 있기 때문이죠.
LG에너지솔루션도 리튬황배터리의 가능성에 주목하며 지속적인 연구를 이어왔습니다. 특히 시카고대학교 셜리 멍 교수 연구팀과 공동 수행한 황 기반 고체 전해질 기술 연구는 에너지 분야 국제 학술지일 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 26년 2월 게재되기도 했는데요. 해당 연구에서는 리튬황배터리의 주요 과제인 폴리설파이드(Polysulfide) 용출 환경을 원천적으로 차단하고, 성능 안정성을 높이는 방향을 제시했습니다. 특히 황 입자 표면에 이온전도성이 높은 계면을 형성하고 입자 크기를 정교하게 제어해, 사이클 안정성과 출력 특성 개선을 확인한 점이 주요 성과로 주목받았습니다.
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고체 전해질로 안전성을 높인 전고체배터리
전고체배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리입니다. 고체 전해질은 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하면서, 양극과 음극이 직접 닿지 않도록 하는 분리막의 역할도 함께 수행할 수 있습니다.
전고체배터리의 가장 큰 장점은 안전성입니다. 전해질이 고체이기 때문에 외부 충격으로 인한 전해액 누수 위험을 줄일 수 있고, 열적 안정성이 높습니다. 이에 전고체배터리는 안전성이 중요한 전기차, 항공∙드론, 휴머노이드 로봇 등 다양한 분야에서 주목받고 있습니다.
또한 전고체배터리는 기존 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 고체 전해질이 분리막 역할을 함께 수행하면 배터리 내부 공간 활용도를 높일 수 있는데요. 여기에 리튬메탈 음극, 실리콘 음극 등의 고에너지 밀도를 구현하는 소재와 결합할 수 있기 때문입니다.
LG에너지솔루션은 황화물계 고체 전해질과 실리콘 음극을 조합한 장수명 전고체배터리 기술 개발을 이어가고 있습니다. 미국 샌디에이고 대학과 공동으로 진행한 관련 연구는 상온에서의 빠른 충전과 높은 에너지 밀도 구현 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 있습니다. 또한 LG에너지솔루션은 전고체배터리에 무음극 구조 적용을 위한 연구를 지속함과 동시에, 수분에 민감한 황화물계 고체 전해질의 안정적인 생산을 위한 ‘건식 전극 공정’*도 적용할 예정입니다.
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풍부한 자원으로 가격 경쟁력을 높이는 소듐이온배터리
소듐이온배터리는 리튬이온 대신 소듐이온을 충·방전 매개 이온으로 활용하는 차세대 배터리입니다. 양극에는 소듐 전이금속 산화물, 프러시안 블루 유도체 계열 등이 활용되고, 음극에는 하드카본이나 소프트카본과 같은 탄소계 소재가 주로 사용됩니다.
소듐이온배터리의 기본 작동 원리는 리튬이온배터리와 유사합니다. 다만 리튬이온이 아닌 소듐이온이 양극과 음극 사이를 오가며 충·방전을 반복한다는 차이가 있습니다.
소듐이온배터리는 높은 가격 경쟁력이 특징입니다. 핵심 원자재인 소듐이 지구상에서 5번째로 풍부하게 존재하는 원소이기 때문입니다. 소듐이 알루미늄과 반응하지 않기 때문에, 리튬이온배터리와 달리 음극 집전체로 알루미늄을 사용할 수 있다는 점도 가격 경쟁력 확보에 도움을 줍니다. 또한 소듐이온배터리는 낮은 온도에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는데요. 때문에 전기차에 소듐이온배터리가 적용될 경우, 겨울철 성능 저하를 최소화할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
LG에너지솔루션은 배터리 전시회 인터배터리(InterBattery) 2025에서 소듐이온배터리 로드맵을 공개했습니다. 1세대 소듐이온배터리는 납축전지 대체, 전장용 12/24V 제품, 무정전 전원장치(UPS)* 백업 전원 시장을 주요 적용처로 보고 있습니다. 2세대 소듐이온배터리는 전기차용 배터리를 목표로 개발되고 있습니다. 450Wh/L 수준의 에너지 밀도 구현과 건식 전극 공정 도입을 통해 생산 효율성과 경제성을 함께 높이는 방향으로 진행되고 있죠.
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음극 활물질을 없애 에너지 밀도를 높이는 무음극전지
무음극전지는 별도의 음극 활물질을 사용하지 않는 차세대 배터리입니다. 일반적인 리튬이온배터리는 음극에 흑연이나 실리콘계 소재를 사용하는데요. 반면 무음극전지는 충전 과정에서 양극에서 이동한 리튬이온이 전자와 만나 음극 집전체 위에 리튬메탈 형태로 도금됩니다. 쉽게 말해, 충전 중 음극이 형성되는 방식으로 작동합니다.
무음극전지는 에너지 밀도를 높이는 데 유리한 구조를 갖고 있습니다. 기존에 음극 활물질이 차지하던 공간을 활용할 수 있어, 같은 크기 내에 더 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문입니다. 이러한 특성 덕분에 무음극전지는 고성능 전기차와 항공·드론 분야에 적합한 차세대 배터리 기술로 꼽힙니다.
무음극전지를 안정적으로 구현하려면 리튬 도금과 탈리 과정을 정교하게 제어하는 것이 중요합니다. 때문에 부반응을 줄이고 안정적인 계면 형성에 유리한 전고체배터리와 결합하는 방향으로 연구되고 있는데요. 두 기술이 결합되면 높은 에너지 밀도와 안전성을 동시에 구현할 가능성이 커집니다.
LG에너지솔루션 역시 무음극전지를 전고체배터리와 조합하여 개발을 진행하고 있습니다. 다양한 무음극전지 개발 관련 특허 기술을 확보하며 기술 고도화를 이어가고 있으며, 2029년 상용화를 목표로 개발에 매진하고 있습니다.
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전지 구조를 단순화해 공간 효율을 높이는 바이폴라 배터리
바이폴라 배터리는 전극과 셀 연결 구조를 새롭게 설계해 고전압 구현과 공간 효율 향상을 목표로 하는 차세대 배터리 기술입니다. 현재 널리 사용되는 모노폴라 구조는 병렬 구조로 이루어진 개별 셀들을 외부 연결 부품으로 직렬 연결하는 방식입니다. 반면 바이폴라 배터리는 하나의 집전체 양면에 양극과 음극을 배치해 전극을 층층이 적층합니다. 즉 셀 내부에서 직렬 연결을 구현하는 방식입니다.
바이폴라 배터리는 구조가 단순하다는 점이 가장 큰 장점으로 꼽힙니다. 별도의 외부 연결선이나 부품을 줄이면서도, 전극을 적층하는 것만으로 높은 전압을 구현할 수 있는데요. 이 덕분에 배터리 팩 내부 공간 활용도를 높이고 팩 구조 및 제조 공정을 단순화할 수 있어, 공간 효율이 중요한 웨어러블 시장에서도 주목받고 있습니다. 또한 바이폴라 배터리는 수직 방향의 전자 전달구조를 가지고 있습니다. 이는 내부 저항을 줄이고, 발열 특성을 보다 균일하게 관리하는 데 유리합니다.
LG에너지솔루션은 전고체배터리를 바이폴라 구조로 구현하기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 바이폴라 배터리 기술을 통해 팩 구조를 단순화하고 공간 활용성을 높이는 동시에, 원가 경쟁력과 고전압 시스템 대응력을 강화하는 방향으로 차세대 배터리 기술을 고도화하고 있습니다.
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한눈에 비교하는 차세대 배터리 특징
지금까지 살펴본 차세대 배터리는 저마다 다른 특징을 가지고 있습니다. 어떤 배터리는 무게를 줄이는 데 강점이 있고, 어떤 배터리는 안전성이나 가격 경쟁력, 공간 효율을 높이는 데 초점을 맞추고 있죠. 배터리마다 특징이 다른 만큼, 적합한 활용 분야도 차이가 있습니다.
| 배터리 종류 | 설명 | 주요 강점 | 주요 적용 분야 |
|---|---|---|---|
| 리튬황배터리 | 양극에 황-탄소복합체, 음극에 경량 리튬메탈 사용 | 높은 무게 에너지 밀도, 황의 풍부한 매장량에 따른 가격 경쟁력 | 드론·무인기·UAM 항공 모빌리티 |
| 전고체배터리 | 액체 전해질 대신 고체 전해질 사용 | 높은 안전성, 높은 에너지 밀도 구현 가능성 | 전기차, 항공·드론, 휴머노이드 로봇 |
| 소듐이온배터리 | 소듐이온을 매개 이온으로 사용, 탄소계 음극 | 원자재 확보 안정성과 가격 경쟁력, 저온 출력 성능 | UPS, ESS, 전기차 |
| 무음극전지 | 별도 음극 활물질 없이 충전 과정에서 음극(리튬)이 형성되는 구조 | 음극 공간·무게 절감으로 높은 에너지 밀도 | 고성능 전기차, 항공·드론 |
| 바이폴라 배터리 | 집전체 양면에 양극, 음극 배치, 셀 내부에서 직렬 적층 | 구조 단순화·공간 효율, 고전압 구현, 내부 저항↓ | 전기차, 웨어러블 |
핵심 Q&A
Q. 리튬황배터리란 무엇인가요?
리튬황배터리는 황-탄소복합체 양극과 리튬메탈 음극을 사용해 무게 대비 에너지 저장량을 높인 전지입니다.
Q. 전고체배터리란 무엇인가요?
전고체배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 안전성을 높인 배터리입니다.
Q. 소듐이온배터리란 무엇인가요?
소듐이온배터리는 리튬이온 대신 소듐이온을 충·방전 매개 이온으로 활용하는 배터리입니다.
Q. 무음극전지란 무엇인가요?
무음극전지는 별도의 음극 활물질 없이 리튬의 도금-탈리 과정을 활용해, 충전 과정에서 리튬 금속 음극을 형성하는 구조의 배터리입니다.
Q. 바이폴라 배터리란 무엇인가요?
바이폴라 배터리는 셀 내부에서 직렬 연결을 구현해 구조를 단순화하고 공간 효율을 높이는 설계 방식입니다.
지금까지 차세대 배터리에 대해 알아봤습니다. 리튬황배터리, 전고체배터리, 소듐이온배터리, 무음극전지, 바이폴라 배터리는 각각 다른 강점을 가지고 있는 것을 확인했는데요. 앞으로 전기차, ESS, UPS, 항공 모빌리티 등 다양한 분야에서 차세대 배터리가 어떻게 활용될지 주목해 보세요!
