인공지능이 밝혀낸 리튬 이온 이동의 비밀…전고체 배터리 상용화 속도 낼까

전고체 배터리는 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있습니다. 기존 리튬 이온 배터리와 달리 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하며, 이는 화재 위험을 줄이고 에너지 밀도를 높이는 장점을 제공합니다. 하지만 상용화 과정에서 몇 가지 난제가 존재합니다. 그중에서도 리튬 이온의 이동성은 배터리 성능을 좌우하는 핵심 요소로 꼽힙니다. 리튬 이온이 전극과 전해질 사이를 얼마나 효율적으로 오갈 수 있느냐가 충전 속도와 수명, 출력에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 최근 인공지능 기술을 활용한 연구가 이 문제를 해결하는 데 중요한 단서를 제공하고 있습니다. 특히 한국과학기술연구원(KIST) 연구팀의 최신 성과는 전고체 배터리 상용화를 한층 앞당길 가능성을 보여줍니다.

2025년 3월, 한국연구재단은 KIST 이병주 박사 연구팀이 인공지능을 활용해 전고체 전지용 고체 전해질에서 리튬 이온의 이동성을 극대화하는 설계 전략을 제시했다고 발표했습니다. 이 연구는 포스코홀딩스 응용AI연구팀과 협력하여 진행되었으며, 머신러닝 포텐셜 기법을 적용해 3000개 이상의 원자로 구성된 배터리 소재의 거동을 분석했습니다. 분석 결과, 황 이온이 리튬 이온 이동을 방해하는 주요 요인으로 확인되었습니다. 연구팀은 황 이온의 양과 분포를 조절함으로써 리튬 이온 이동성을 최대 100배까지 향상시킬 수 있음을 밝혀냈습니다. 이는 고체 전해질의 이온전도도를 높이는 데 결정적인 돌파구로 평가됩니다. 이병주 박사는 후속 연구를 통해 고성능 배터리 소재 개발 방법론을 정립할 계획이라고 전했습니다.

전고체 배터리는 여러 장점을 지니고 있지만, 해결해야 할 과제도 만만치 않습니다. 대표적으로 고체 전해질의 낮은 이온전도도와 전극-전해질 계면에서의 높은 저항 문제가 있습니다. 고체 전해질은 액체 전해질에 비해 이온 이동이 느리고, 전극과의 접촉 면에서 불안정성을 보입니다. 이를 개선하기 위해 황화물계, 산화물계, 고분자계 등 다양한 고체 전해질 소재가 연구되고 있습니다. 예를 들어, ETRI는 LLZO(리튬 란탄 지르코늄 산화물)와 PVdF(폴리비닐리덴 플루오라이드)를 결합한 하이브리드 전해질을 개발하며 이온 저항을 줄이는 데 성공했습니다. 또한 건식 에칭 기술을 통해 리튬 이온의 이동성을 높여 성능 향상을 이뤄냈습니다. 이러한 기술적 진보는 전고체 배터리의 실용화를 위한 중요한 발판이 되고 있습니다.

전고체 배터리 상용화를 향한 글로벌 경쟁도 치열합니다. 삼성SDI는 2027년 양산을 목표로 샘플 공급을 확대하고 있으며, 에너지 밀도 900Wh/L를 구현하겠다는 계획을 밝혔습니다. 중국의 CALB는 2028년 양산을 준비 중이고, 도요타와 혼다 역시 2027년을 타깃으로 개발에 박차를 가하고 있습니다. 미국에서는 퀀텀스케이프가 B샘플 생산에 성공하며 대량 생산 가능성을 시사했습니다. 국내에서는 정부와 기업이 협력해 차세대 배터리 기술 개발에 투자하고 있습니다. 산업통상자원부는 2028년까지 1172억 원을 투입해 리튬메탈 전지와 황화물계 전고체 전지 연구를 지원합니다. 전문가들은 2027년에서 2030년 사이에 전고체 배터리가 본격적으로 시장에 도입될 것으로 예상하며, 연평균 34.2%의 성장률을 기록할 가능성을 언급합니다.

전고체 배터리가 상용화되면 전기차와 에너지 저장 시스템의 판도를 바꿀 잠재력을 지닙니다. 높은 에너지 밀도는 주행 거리를 늘리고, 화재 위험 감소는 안전성을 강화합니다. 또한, 리튬메탈 음극재를 활용하면 기존 흑연계 음극보다 용량을 획기적으로 높일 수 있습니다. 포스코퓨처엠과 같은 기업은 양극과 음극 소재 개발에 집중하며 전고체 배터리 시대를 준비하고 있습니다. 그러나 높은 제조 비용과 기존 리튬 이온 배터리의 성능 개선 속도를 고려할 때, 초기 시장 점유율은 제한적일 수 있다는 의견도 나옵니다. SNE리서치는 2030년 글로벌 전기차 배터리 시장에서 전고체 배터리의 비중이 크지 않을 것으로 전망합니다. 그럼에도 불구하고, 장기적으로는 에너지 산업 전반에 혁신을 가져올 기술로 평가받고 있습니다.