LG에너지솔루션의 차세대 배터리 기술 로드맵: 2030년을 향한 배터리 혁신 전략

LG에너지솔루션이 최근 배터리 기술 혁신에 박차를 가하며 2030년 이전 상용화를 목표로 다양한 차세대 배터리 기술을 개발하고 있습니다. 손권남 LG에너지솔루션 차세대 전지 부문 담당이 SNE 리서치 NGBS 세미나에서 공개한 내용을 중심으로, 전고체 배터리, 리튬황 배터리, 소듐 이온 배터리, 바이폴라 기술 등 LG에너지솔루션의 배터리 기술 로드맵을 자세히 살펴보겠습니다.

LG에너지솔루션의 배터리 기술 혁신 비전

LG에너지솔루션은 2020년 말 공식 출범 이후 꾸준히 배터리 제조를 넘어 '에너지 순환 생태계'의 중심으로 도약하기 위한 비전을 추구해왔습니다. 2024년 10월에는 'Empower Every Possibility(에너지로 세상을 깨우다)'라는 비전을 공식 선포하고, 2028년까지 2023년(33조 7,455억원) 대비 매출을 2배 이상 성장시키겠다는 목표를 발표했습니다.

LG에너지솔루션은 ESS, UAM 등 Non-EV 사업 확대를 통한 균형 있는 사업 포트폴리오 구축, LFP·고전압 미드니켈·46-시리즈 등 제품 및 고객 포트폴리오 다양화, BaaS, EaaS 등 소프트웨어와 서비스 영역 사업 기반 확보, 전고체·건식전극 공정 등 차세대 전지 기술리더십 강화를 중장기 전략으로 발표했습니다.

이런 비전을 바탕으로 LG에너지솔루션은 30년간의 배터리 개발 경험과 소재부터 셀·팩·시스템까지 이어지는 기술 포트폴리오, 글로벌 공정 운영 역량을 바탕으로 차세대 배터리 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 특허 기반의 R&D(IP-R&D)를 통해 전고체, 리튬황, 소듐이온 등 전지별 소재·공정·셀 구조에 대한 포트폴리오를 빠르게 확보하고 있으며, 2030년 이전 상용화를 목표로 각 기술에 맞는 전략을 수립하고 있습니다.

 

전고체 배터리: 계면 보호 코팅 기술과 이온 전도도의 혁신

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리 기술입니다. 손권남 담당은 전고체 배터리 개발을 위해 가장 중요한 요소 중 하나가 양극(CAM)과 고체 전해질(SE) 간 계면에서의 리튬이온 이동이라고 설명했습니다. 이 계면에서 리튬이온이 원활하게 이동해야 배터리의 성능이 제대로 발휘될 수 있기 때문입니다.

LG에너지솔루션은 이 문제를 해결하기 위해 양극과 고체 전해질 간 계면을 보호하는 새로운 코팅 물질을 개발했습니다. 이 코팅 기술을 적용한 전고체 배터리는 기존 레퍼런스 물질을 사용한 배터리보다 수명과 에너지 출력 등에서 더 우수한 성능을 보이는 것으로 확인되었습니다. 이러한 양극재 코팅 기술은 전고체 배터리뿐만 아니라 기존 기술에도 적용될 수 있는 응용 기술입니다.

고체 전해질의 낮은 이온 전도도도 전고체 배터리 개발의 주요 기술적 난제 중 하나입니다. 이온 전도도가 높아야 에너지 출력과 충전 성능을 높일 수 있기 때문입니다. LG에너지솔루션은 자체 개발한 아지로다이트 계열 황화물계 고체 전해질의 이온 전도도가 세계 최고 수준인 것을 내부적으로 확인했다고 밝혔습니다.

그러나 전고체 배터리는 아직 여러 기술적 난제를 극복해야 합니다. 손 담당에 따르면 현 리튬이온 배터리 대비 10배 높은 수준의 가압 공정이 필요하고, 황화물계 고체 전해질이 수분에 매우 취약하기 때문에 가공비를 낮추고 소재 안정성을 높이기 위해서는 내수분성을 개선하는 소재 혁신이 필요한 상황입니다.

또한 폼팩터(제품 형태) 측면에서도 파우치형 배터리가 전고체 배터리에 더 적합하다고 판단하고 있습니다. 전고체 배터리는 고체 소재 특성상 원통형 배터리에 적용되는 젤리롤(원통형으로 말아 넣는 방식)을 만드는 것이 기술적으로 어려우며, 생산성과 수율 면에서도 파우치형이 높은 가압을 유지하는데 더 적합하다고 판단하고 있습니다.

생산 비용 절감을 위한 드라이룸 공정 혁신도 진행 중입니다. 황화물계 고체 전해질은 수분에 매우 취약하기 때문에 생산 과정에서 철저한 수분 관리가 필요합니다. 이를 위해 드라이룸 환경이 필수적이지만, 이는 생산 비용을 증가시키는 요인이 됩니다. LG에너지솔루션은 이러한 생산 비용을 절감하기 위한 공정 혁신도 함께 추진하고 있습니다.

바이폴라 기술: 배터리 구조의 혁명적 변화

바이폴라 기술은 배터리 구조를 근본적으로 변화시키는 혁신적인 기술입니다. 기존 배터리는 병렬 구조를 기반으로 하는데, 바이폴라 기술은 이를 직렬 구조로 전환하는 새로운 개념입니다.

기존 병렬 구조 배터리는 각각의 양극과 음극을 연결하기 위한 커넥터가 필요합니다. 이 커넥터는 배터리 내 공간을 차지하기 때문에 에너지 밀도를 높이는 데 제한이 있었습니다. 반면 바이폴라 배터리는 양극과 음극의 집전체를 합쳐, 위쪽에는 알루미늄, 아래쪽에는 구리를 사용하는 복합 집전체를 개발했습니다. 이를 통해 기존 구조에서 필요한 커넥터를 제거하여 부피당 에너지 밀도를 획기적으로 높였습니다.

바이폴라 기술의 가장 큰 장점은 배터리의 크기를 줄이면서도 전력은 높이고 가격은 낮출 수 있다는 점입니다. 이 기술은 전자의 이동 경로가 매우 짧아져 급속 충전이나 방전 시 발열 관리에도 유리합니다. 또한 대면적화가 가능하고 부품 수를 50% 수준까지 줄일 수 있어 배터리 팩 내 공간 활용도를 높일 수 있습니다. 같은 용량이라도 크기가 작아지기 때문에 전기차 주행거리와 가격 경쟁력을 높일 수 있는 것이 큰 장점입니다.

LG에너지솔루션은 바이폴라 기술을 전기차, 고전압을 요구하는 ESS, 전기선박 등에 활용할 계획이며, 현재 바이폴라 공법을 이용한 120V LFP 배터리를 개발하고 있습니다. 초기에는 ESS 분야에 우선 적용될 것으로 예상됩니다.

흥미로운 점은 바이폴라 배터리가 파우치와 각형의 하이브리드 방식으로 개발되고 있다는 점입니다. 내부에는 파우치형 구조를 사용하고 외부는 각형을 사용하는 형태로, 이를 통해 모듈과 팩 구조를 더욱 간소화할 수 있을 것으로 기대됩니다.

LG에너지솔루션은 이미 대전에 바이폴라 배터리 R&D 센터를 완공했으며, 오창에 파일럿 라인 구축을 진행 중입니다. 현재는 단동 설비 기반으로 설계되어 있으며, 향후 대량 생산을 위한 인라인 설비로 전환할 예정입니다. 특히 바이폴라 기술은 리튬이온 배터리뿐 아니라 반고체 및 전고체 배터리에도 적용할 수 있는 확장성을 갖고 있어, 다양한 차세대 배터리 기술과의 결합도 가능합니다.

 

리튬황 배터리: 2027년 상용화를 향한 도전

리튬황 배터리는 현재 가장 많이 사용되는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있습니다. LG에너지솔루션은 이르면 2027년 리튬황 배터리를 상용화할 계획을 세우고 있습니다.

리튬황 배터리의 가장 큰 장점은 무게 대비 에너지 밀도가 기존 배터리보다 약 1.5배 높다는 점입니다. 이를 통해 kg당 400에서 600Wh의 에너지 밀도를 구현할 수 있을 것으로 예상되며, 현재 500Wh/kg 수준까지 개발이 가능한 단계라고 합니다. 같은 무게라면 기존 전기차 주행거리를 400km에서 700km 이상으로 늘릴 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

또 다른 큰 장점은 원가 절감 가능성입니다. 리튬황 배터리는 양극재에 황탄소 복합체를 사용하는데, 황은 매우 저렴한 원재료이기 때문에 하이니켈 리튬이온 배터리 대비 원가를 30에서 50%까지 절감할 수 있습니다. 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등을 이용하는 삼원계 배터리와 달리, 리튬황 배터리는 이러한 비싼 금속 원소들이 필요 없어 원가 경쟁력이 매우 높습니다.

무게가 가볍다는 특성 때문에 리튬황 배터리는 초기에 항공 분야, 특히 UAM(도심 항공 모빌리티) 분야에 우선 적용될 것으로 예상됩니다. 실제로 최근에는 리튬황 배터리를 장착한 비행체들이 실험적으로 운용되고 있습니다.

LG에너지솔루션은 리튬황 배터리 구현을 위한 양극재 개발 및 고안정성, 고출력을 위한 전해질 기술도 자체적으로 보유하고 있다고 밝혔습니다. 최근 배터리 업계의 추세는 핵심 소재까지 자체 생산하려는 수직계열화 움직임이 강화되고 있으며, LG에너지솔루션도 이러한 경향을 따르고 있습니다.

다만 리튬황 배터리는 아직 몇 가지 기술적 난제를 극복해야 합니다. 충전과 방전을 반복했을 때 수명이 급속히 떨어질 수 있다는 점, 황 자체가 전기 전도성이 낮아 에너지 전달의 효율이 낮다는 점, 전해질 양이 많아져야 한다는 점 등이 단점으로 지적됩니다. LG에너지솔루션은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 연구개발을 지속하고 있습니다.

소듐 이온 배터리: 리튬 다음의 차세대 주자

소듐 이온(나트륨 이온) 배터리는 리튬 자원 고갈과 가격 상승에 대비한 대안으로 주목받는 차세대 배터리 기술입니다. 소듐은 리튬보다 자원이 풍부하고 가격 경쟁력도 높은 것이 큰 장점입니다.

손권남 담당은 소듐 이온 배터리의 장점으로 원재료의 저렴함, 충격에 대한 안전성, 저온 환경에서의 성능 유지, 열폭주에 따른 화재 위험 감소 등을 꼽았습니다. 특히 저온 환경에서도 성능이 잘 유지되는 것은 기존 리튬이온 배터리보다 우수한 특성으로 평가됩니다.

그러나 소듐 이온 배터리의 가장 큰 단점은 에너지 밀도가 낮다는 점입니다. 현재는 에너지 밀도와 규모의 경제 측면에서 아직 부족한 상황이며, LG에너지솔루션은 이 문제를 해결하기 위해 LFP(리튬인산철) 수준의 에너지 밀도 확보를 위한 양극재 개발과 함께, 자사의 건식 공정 기술을 적용해 생산 효율성을 높이는 방안을 검토 중입니다.

현재 LG에너지솔루션은 12V 배터리와 UPS(무정전 전원 장치)용 백업 배터리와 같은 저전압 시장을 우선 타겟으로 소듐 이온 배터리를 개발하고 있습니다. 이러한 용도의 배터리는 기존 납축전지(리드 에시드 배터리)를 대체할 잠재력이 있습니다. 소듐 이온 배터리는 납축전지에 비해 수명이 길고, 출력이 높으며, 무게가 가볍고, 자가방전율이 낮으며, 사용 온도 범위도 넓은 장점이 있습니다.

다만 현재는 시장 규모가 크지 않아 LFP 배터리 대비 규모의 경제가 형성되지 않아 아직은 비싼 상황입니다. 그러나 소듐 이온 배터리는 원통형, 각형, 파우치형 등 다양한 폼팩터로 구현할 수 있다는 장점이 있어, 전고체 배터리처럼 원통형으로 구현하기 어려운 기술과 비교하면 응용 범위가 넓은 편입니다.

LG에너지솔루션은 소듐 이온 배터리가 다른 차세대 배터리 기술보다 조기에 시장에 출시될 것으로 전망하고 있습니다. 1세대 소듐 이온 배터리는 출력 특성을 고려해 12V, UPS 백업용 등으로 개발되고 있으며, 2세대 소듐 이온 배터리는 전기차 시장을 목표로 개발될 예정입니다. 전기차용 소듐 이온 배터리가 실용화되기 위해서는 리튬이온 배터리의 음극 구조와 같은 부분의 업그레이드가 필요하며, 건식 전극 공정 등의 기술 적용도 검토되고 있습니다.

건식 전극 공정: 배터리 생산 비용의 혁신적 절감

건식 전극 공정은 배터리 업계의 판도를 바꿀 수 있는 '게임체인저'로 불리는 기술입니다. LG에너지솔루션은 올해 4분기 중 오창 사업장에 건식 전극 공정 파일럿(시험생산) 라인을 구축하고, 2-3년 후인 2028년부터 본격 생산에 돌입할 계획입니다.

현재 대부분의 배터리는 습식 공정을 거쳐 생산됩니다. 습식 공정은 양극과 음극을 만드는 과정에서 화학물질을 녹인 유기용매를 사용하는 방식입니다. 코팅 후에는 용매를 건조하는 과정이 필요합니다. 반면 건식 공정은 유기용매를 사용하지 않고 고체 파우더를 활용하기 때문에 건조 과정이 생략됩니다. 이 차이로 인해 설비 및 공정 비용을 크게 절감할 수 있으며, 제조 시간과 공간 효율성도 향상됩니다.

LG에너지솔루션 관계자에 따르면, 건식 전극 공정을 도입하면 배터리 제조 비용을 17%에서 최대 30%까지 낮출 수 있을 것으로 예상됩니다. 배터리 비용 절감은 전기차 가격 경쟁력과 직결되는 만큼, 이 기술 개발에 성공하면 시장에서 압도적인 경쟁력을 확보할 수 있게 됩니다.

LG에너지솔루션은 특히 입자 크기에 상관없이 음극과 양극 모두에 적용할 수 있는 공정으로 차별화를 시도하고 있습니다. 배터리는 두 개의 전극(양극과 음극)과 두 전극 사이에서 전하를 이동시키는 전해질로 구성되는데, 양극은 음극보다 다루기 어려운 재료로 만들어지기 때문에 양극에 건식 전극 공정을 적용하는 것은 기술적으로 매우 까다롭습니다. 따라서 이를 구현하기 위해서는 고도의 연구개발 역량이 요구됩니다.

현재 LG에너지솔루션은 건식 전극 공정을 고에너지 밀도 배터리에 적합한 고난이도 공정으로 접근하고 있으며, 첫 번째로 4680 배터리(지름 46mm, 높이 80mm의 원통형 배터리)에 도입할 계획입니다. 또한 전고체 배터리와 같은 차세대 배터리 기술에도 이 공정을 응용하려는 계획을 가지고 있습니다.

업계에 따르면 LG에너지솔루션은 미국의 드라이맥스 테크(DryMax Tech)와 협력하여 건식 전극 기술을 개발하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 테슬라, SK온 등 다른 배터리 업체들도 각기 다른 방식의 건식 전극 기술을 개발 중이며, 이는 배터리 산업의 새로운 경쟁 분야로 부상하고 있습니다.

LG에너지솔루션은 건식 전극 공정이 먼저 상용화된 후, 그 연장선상에서 전고체 배터리 기술까지 이어질 것으로 예상하고 있습니다. 건식 전극 공정이 2027년 또는 2028년경 상용화되면, 이를 바탕으로 전고체 배터리 기술이 뒤따라 실용화될 것으로 전망됩니다.

안전성과 고성능을 위한 추가 연구개발 방향

LG에너지솔루션은 전고체, 리튬황, 소듐 이온 배터리 외에도 다양한 기술 개발을 진행하고 있습니다. 특히 배터리 안전성을 더욱 높이기 위해 고전압 미드니켈(Mid-Ni) 양극재를 개발하고 있으며, 46 시리즈 배터리도 더욱 개선된 버전을 개발 중입니다.

미드니켈 양극재는 니켈 함량을 중간 수준으로 유지하여 안전성과 성능 사이의 균형을 맞춘 기술입니다. 니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도는 증가하지만 열적 안정성이 저하되는 특성이 있어, 적절한 니켈 함량을 유지하면서도 성능을 최적화하는 연구가 진행 중입니다.

46 시리즈 배터리는 테슬라가 주도하고 있는 새로운 규격의 원통형 배터리로, 지름 46mm, 높이 80mm의 사이즈를 가지고 있습니다. 이는 기존의 18650(지름 18mm, 높이 65mm) 또는 21700(지름 21mm, 높이 70mm) 배터리보다 크기가 커 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 장점이 있습니다. LG에너지솔루션은 이 46 시리즈 배터리의 성능과 생산성을 더욱 향상시키기 위한 연구를 진행하고 있습니다.

또한 LG에너지솔루션은 북미 ESS 시장 공략에도 적극적인 움직임을 보이고 있습니다. 2025년부터 2030년까지 5년간 총 4GWh 규모의 주택용 ESS 배터리를 델타일렉트로닉스에 공급하기로 계약을 체결했으며, 이는 약 40만 가구(4인 기준) 이상이 하루 동안 사용할 수 있는 전력량에 해당합니다.

LG에너지솔루션이 공급하는 ESS용 배터리는 미국 내에서 생산될 예정이며, 이는 최근 미국의 중국산 ESS 배터리에 대한 수입 관세 상향 정책과 맞물려 현지 생산 배터리에 대한 수요가 증가하는 상황에 대응하기 위한 전략으로 볼 수 있습니다7.

LG에너지솔루션의 글로벌 경쟁력과 미래 전략

LG에너지솔루션은 현재 글로벌 전기차 배터리 시장에서 중국의 CATL에 이어 2위를 차지하고 있습니다. 2022년 기업공개(IPO) 당시 권영수 부회장은 "LG에너지솔루션이 중국 CATL보다 수주잔고가 더 많다"며 "향후 시장점유율 측면에서 CATL을 추월할 것"이라는 포부를 밝힌 바 있습니다.

LG에너지솔루션의 강점은 지식재산권(IP) 측면에서 경쟁사를 압도하고 있으며, 다양한 글로벌 고객을 보유하고 있다는 점입니다. 폭스바겐, GM, 테슬라, 아우디, 현대차, 포드, 볼보, 포르쉐 등 다수의 글로벌 완성차 업체에 배터리를 공급하고 있으며, 생산기지도 유럽, 미국, 중국 등 글로벌하게 갖추고 있습니다.

또한 LG에너지솔루션은 중국 시장 공략을 위한 전략도 수립하고 있습니다. 과거 중국 정부가 한국산 배터리를 장착한 전기차를 보조금 지급 대상에서 제외하는 정책으로 인해 어려움을 겪었으나, 최근에는 상황이 변화하고 있어 중국 업체들과의 사업을 확대할 계획입니다. 특히 중국 업체들이 주도하고 있는 LFP(리튬인산철) 배터리 사업에도 진출해 ESS에 우선 적용하고, 이후 차량용 배터리로 활용할 계획입니다.

LG에너지솔루션은 완성차 업체들과의 합작사 설립도 적극 추진하고 있습니다. GM, 현대차, 스텔란티스 등과 배터리 합작사를 운영하거나 추진 중이며, 이는 배터리 내재화를 시도하는 완성차 업체들의 움직임에 대응하는 전략으로 볼 수 있습니다.

배터리 핵심 원자재 수급 전략도 강화하고 있습니다. 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등 4대 원재료에 대해 장기계약을 체결해 공급에 문제가 없도록 대비하고 있으며, 중국에서 공급되는 재료들의 불안 요소를 고려해 공급망 다변화를 추진하고 있습니다.

LG에너지솔루션의 이러한 다양한 기술 개발과 글로벌 전략은 2030년까지 배터리 시장에서의 리더십을 강화하고, 차세대 배터리 기술 상용화를 통해 새로운 성장 동력을 확보하기 위한 포괄적인 로드맵으로 볼 수 있습니다.

결론: 2030년을 향한 LG에너지솔루션의 배터리 기술 혁신

LG에너지솔루션은 전고체 배터리, 리튬황 배터리, 소듐 이온 배터리, 바이폴라 기술, 건식 전극 공정 등 다양한 차세대 배터리 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 이러한 기술들은 각각의 특성과 장단점을 가지고 있으며, 다양한 용도와 시장 환경에 맞게 개발되고 있습니다.

전고체 배터리는 안전성과 에너지 밀도 측면에서 큰 잠재력을 가지고 있지만, 아직 가압 공정, 내수분성, 이온 전도도 등 여러 기술적 난제를 해결해야 합니다. LG에너지솔루션은 양극과 고체 전해질 간 계면을 보호하는 코팅 기술과 세계 최고 수준의 이온 전도도를 가진 아지로다이트 계열 고체 전해질 개발에 성공했습니다.

바이폴라 기술은 배터리 구조를 혁신적으로 변경해 크기는 줄이고 성능은 높이며 가격은 낮추는 효과를 기대할 수 있으며, 대전의 R&D 센터와 오창의 파일럿 라인을 통해 기술 개발이 진행 중입니다. 특히 이 기술은 리튬이온 배터리뿐 아니라 전고체 배터리 등 차세대 배터리에도 적용할 수 있는 확장성을 가지고 있습니다.

리튬황 배터리는 무게 대비 에너지 밀도가 1.5배 높고 원가도 30-50% 절감할 수 있는 잠재력을 가지고 있어, 2027년 상용화를 목표로 개발이 진행 중입니다. 특히 항공 분야와 UAM 분야에 우선 적용될 것으로 예상됩니다.

소듐 이온 배터리는 리튬보다 풍부한 자원과 안전성, 저온 성능 등의 장점이 있으며, 12V 배터리와 UPS용 배터리 시장을 시작으로 점차 전기차 시장으로 확대될 전망입니다.

건식 전극 공정은 배터리 제조 비용을 최대 30%까지 절감할 수 있는 '게임체인저' 기술로, 2028년부터 본격 생산을 목표로 개발 중입니다. 이 기술은 전고체 배터리와 같은 차세대 배터리 기술의 상용화를 위한 중요한 발판이 될 것으로 예상됩니다.

LG에너지솔루션은 이러한 다양한 차세대 배터리 기술을 2030년 이전에 상용화하는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 통해 글로벌 배터리 시장에서의 경쟁력을 강화하고 지속가능한 성장을 이루고자 합니다. 배터리 기술의 발전은 전기차, ESS, UAM 등 다양한 산업 분야의 성장을 촉진하고, 탄소 중립과 지속가능한 에너지 미래를 앞당기는 핵심 동력이 될 것입니다.

 

 

 

 

 

 

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