전고체 배터리 기술의 현황과 미래 전망 (2025-09-30)

1. 서론: 차세대 배터리 패러다임의 전환

1.1 기존 리튬이온 배터리의 한계와 전고체 배터리의 등장 배경

현대의 모바일 기기와 전기차(EV) 시장의 폭발적인 성장은 높은 에너지 밀도를 자랑하는 리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery, LIB) 기술에 힘입어 가능했다. 그러나 기술의 성숙과 함께 LIB는 본질적인 한계에 직면하기 시작했다.1 가장 근본적인 문제는 안전성이다. LIB는 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동을 매개하기 위해 가연성 유기 액체 전해질을 사용한다. 이 액체 전해질은 외부 충격, 과충전, 또는 내부 단락 등으로 인해 누액, 발화, 심지어 폭발로 이어질 수 있는 잠재적 위험을 내포하고 있다.2 특히 전기차 보급이 확대되면서 배터리 화재 사고가 사회적 문제로 부각되었고, 이는 소비자 수용성과 직결되는 중대한 과제가 되었다. 이처럼 시장의 패러다임이 단순히 ’얼마나 멀리 가는가’에서 ’얼마나 안전하게 멀리 가는가’로 전환되면서, 기존 LIB의 안전성 문제는 기술적 개선만으로는 해결하기 어려운 근본적인 장벽으로 인식되었다.

성능 측면에서도 한계는 명확하다. 액체 전해질은 저온 환경에서 이온 전도도가 급격히 저하되어 배터리 성능과 주행거리가 감소하는 문제를 안고 있으며, 고온에서는 전해질의 분해 및 전극과의 부반응이 가속화되어 배터리 수명을 단축시킨다.5 에너지 밀도 향상 역시 정체기에 접어들었다. 이론적으로 현존하는 음극재 중 가장 높은 에너지 용량을 가진 리튬 메탈(lithium metal)은 충·방전 과정에서 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정체인 덴드라이트(dendrite)를 형성시킨다. 이 덴드라이트가 분리막을 뚫고 양극과 접촉하면 내부 단락을 일으켜 화재로 이어지기 때문에, 액체 전해질 기반의 LIB에서는 리튬 메탈 음극의 상용화가 사실상 불가능했다.8

이러한 안전성, 에너지 밀도, 작동 온도 범위의 복합적인 한계를 근본적으로 극복하기 위한 대안으로, 배터리를 구성하는 모든 요소가 고체인 전고체 배터리(All-Solid-State Battery, SSB)가 차세대 배터리 기술의 유력한 후보로 부상했다.3

1.2 전고체 배터리의 핵심 정의 및 기술적 의의

전고체 배터리는 양극, 음극, 그리고 이온 전달 매체인 전해질까지 모든 핵심 구성 요소가 고체 상태로 이루어진 배터리를 의미한다.9 기술의 가장 핵심적인 변화는 가연성의 액체 전해질을 불연성의 고체 전해질로 대체하는 것이다.4

이 구조적 변화는 단순히 소재를 교체하는 것을 넘어, 배터리 설계와 제조 공정의 패러다임을 전환시키는 중대한 기술적 의의를 가진다. 고체 전해질은 이온 전도체의 역할뿐만 아니라, 양극과 음극의 물리적 접촉을 막는 분리막(separator)의 역할을 동시에 수행한다.9 이에 따라 기존 LIB의 4대 핵심 소재(양극, 음극, 분리막, 전해질) 중 하나인 분리막이 구조적으로 불필요해진다.

분리막의 제거는 배터리 산업 생태계 전반에 걸친 파괴적 혁신을 예고한다. 기존 분리막 제조 산업의 역할이 축소되는 반면, 황화물, 산화물 등 새로운 고체 전해질 소재와 이를 생산하기 위한 고압 프레스, 소결 장비 등 신규 공정 및 장비 시장이 창출될 것이다.15 또한, 기존의 액체 전해질 주입 및 활성화 공정이 건식 코팅 또는 압착 공정으로 대체되면서, 기존 LIB 생산 라인과의 호환성이 낮아 대규모 신규 투자가 불가피하다.1 이는 후발 주자에게는 높은 진입 장벽으로, 기존 강자에게는 막대한 투자 부담으로 작용하며, 결과적으로 배터리 산업의 경쟁 구도와 글로벌 공급망 지도를 근본적으로 재편할 잠재력을 내포한다.

결론적으로 전고체 배터리는 안전성, 에너지 밀도, 충전 성능, 수명 등 배터리 기술 발전의 핵심 트렌드를 모두 향상시킬 수 있는 잠재력을 지닌 ‘게임 체인저(Game Changer)’ 기술로 평가받으며, 전기차 시대를 앞당길 핵심 동력으로 기대를 모으고 있다.1

2. 전고체 배터리의 기본 구조 및 작동 원리

2.1 구성 요소 분석: 양극, 음극, 그리고 고체 전해질

전고체 배터리는 기본적으로 양극, 음극, 고체 전해질의 세 가지 핵심 요소로 구성된다. 이는 기존 LIB의 4대 요소에서 분리막이 제외된 구조다.14

• 양극(Cathode): 초기 상용화될 전고체 배터리의 양극 활물질은 기존 LIB에서 성능과 안정성이 검증된 소재들이 그대로 활용될 전망이다. 대표적으로 니켈 함량을 높여 에너지 밀도를 극대화한 하이니켈(high-nickel) 계열의 삼원계(NCM, NCA, NCMA) 양극재나, 안전성과 가격 경쟁력이 우수한 LFP(리튬인산철) 양극재가 이에 해당한다.8 이는 기존의 성숙한 양극재 기술과 공급망을 활용함으로써, 개발 초기 단계에서 전해질 및 계면 문제 해결에 연구 역량을 집중하고 기술적 리스크를 최소화하려는 전략적 선택으로 분석된다.
• 음극(Anode): 전고체 배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시키기 위한 궁극적인 음극재로는 리튬 메탈이 지목된다.3 리튬 메탈은 기존에 널리 사용되던 흑연 음극재보다 이론적으로 10배 이상 높은 에너지 용량을 가지지만, 덴드라이트 성장 문제로 인해 상용화되지 못했다. 전고체 배터리에서는 단단한 고체 전해질이 덴드라이트의 성장을 물리적으로 억제하는 ‘방어벽’ 역할을 수행할 수 있어, 리튬 메탈 음극의 적용 가능성이 비로소 열리게 되었다.8
• 고체 전해질(Solid Electrolyte): 전고체 배터리의 정체성을 규정하는 가장 핵심적인 구성 요소다. 고체 전해질은 두 가지 핵심 기능을 동시에 수행한다. 첫째, 리튬 이온(Li+)만을 선택적으로 통과시켜 양극과 음극 사이를 이동시키는 ’이온 전도체’의 역할을 한다. 둘째, 전자의 이동은 차단하여 양극과 음극의 직접적인 물리적 접촉을 막는 ‘전기적 절연체’, 즉 분리막의 역할을 겸한다.10

2.2 리튬이온 배터리와의 구조적 차이: 분리막의 제거와 일체형 셀 구조

전고체 배터리와 LIB의 가장 큰 구조적 차이는 분리막의 부재에서 비롯된다.8 LIB에서는 액체 전해질을 머금은 미세 다공성 고분자 필름이 분리막으로 사용되지만, SSB에서는 고체 전해질이 이 기능을 완벽하게 대체한다.

’분리막의 제거’는 단순히 부품 하나가 줄어드는 것 이상의 의미를 지닌다. 이는 배터리 내부에서 이온 전달 외에 직접적인 에너지 생성에 기여하지 않는 ’죽은 공간(dead volume)’을 최소화하는 핵심 전략이다. 분리막과 액체 전해질이 차지하던 부피가 줄어들고, 그 빈 공간에 더 많은 양극 및 음극 활물질을 채워 넣을 수 있게 된다. 이는 배터리의 부피당 에너지 밀도(Wh/L)를 획기적으로 높이는 직접적인 요인으로 작용한다.13

또한, 액체 전해질의 누액 위험이 원천적으로 사라지면서 셀을 감싸는 패키징 구조를 단순화할 수 있다.6 이는 배터리 팩 단위의 무게와 부피를 추가적으로 줄이는 효과를 가져온다. 더 나아가, 셀 내부에 분리막 없이 양극과 음극을 직렬로 쌓는 ’바이폴라 스태킹(bipolar stacking)’과 같은 혁신적인 셀 구조 설계가 가능해진다.16 이 구조는 셀 내부의 저항을 줄여 출력을 높이고, 팩 단위의 에너지 밀도를 더욱 극대화할 수 있어 전고체 배터리만의 고유한 장점으로 꼽힌다. 이러한 구조적 유연성은 다양한 형태와 크기의 배터리 제작을 가능하게 하여, 전기차의 디자인 자유도를 높이는 데에도 기여한다.8

2.3 충·방전 메커니즘과 이온 전도 경로

전고체 배터리의 기본적인 충·방전 원리는 LIB와 동일하다. 방전 과정에서는 음극에 저장되어 있던 리튬 이온이 고체 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 동시에 외부 회로를 통해 전자가 이동하면서 전류가 발생한다. 충전은 이와 반대 방향으로 에너지를 인가하여 리튬 이온과 전자를 다시 음극으로 되돌리는 과정이다.7

하지만 리튬 이온의 이동 경로는 근본적인 차이를 보인다. LIB에서 리튬 이온은 액체라는 매질 속을 비교적 자유롭게 ‘흐르며’ 이동한다. 반면, SSB에서 리튬 이온은 단단한 고체 전해질의 결정 격자(crystal lattice) 사이를 ‘뛰어넘거나(hopping)’ 원자 배열의 빈 공간, 즉 격자 결함(defects)을 통해 이동해야 한다.4 이는 마치 물속을 자유롭게 헤엄치는 것과 단단한 흙 속을 파고드는 것의 차이에 비유할 수 있다.9

이러한 고체 내 이동 메커니즘은 본질적으로 액체 매질에서의 이동보다 더 큰 저항에 직면할 수밖에 없다. 이것이 바로 전고체 배터리가 상용화를 위해 반드시 극복해야 할 기술적 난제인 ’낮은 이온 전도도’와 ’높은 계면 저항’의 근본적인 원인이다.4 또한, 모든 구성 요소가 단단한 고체로 맞물려 있는 구조는 충·방전 시 발생하는 전극의 미세한 부피 변화에 매우 취약한 구조적 딜레마를 야기한다. LIB의 액체 전해질은 전극의 부피 팽창과 수축을 완충하는 역할을 하지만, SSB에서는 이러한 부피 변화가 고체-고체 계면에 직접적인 기계적 응력(stress)으로 작용한다.10 이 응력이 임계점을 넘으면 전극과 전해질 사이의 접촉이 상실되는 박리(delamination) 현상이나 전해질 자체에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있다.17 이는 계면 저항을 급격히 증가시켜 배터리 수명을 단축시키는 주요 열화 메커니즘으로 작용하므로, 고체 전해질의 기계적 물성(탄성, 연성 등)을 정밀하게 제어하는 것이 배터리 수명 확보에 매우 중요한 변수로 부상한다.

3. 핵심 소재 기술 동향 분석

3.1 고체 전해질 시스템 심층 비교 분석

고체 전해질은 전고체 배터리의 이온 전도성, 안정성, 기계적 특성 및 생산성을 결정하는 가장 핵심적인 소재다. 현재 연구개발은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계, 그리고 최근 부상하는 할라이드계의 네 가지 방향으로 진행되고 있다.8 각 시스템은 뚜렷한 장단점을 가지고 있어, 특정 응용 분야나 개발 전략에 따라 선택이 달라지는 기술 경쟁 구도를 형성하고 있다.

3.1.1 황화물계(Sulfide-based)

황화물계 고체 전해질은 현재 개발 중인 소재 중 가장 유망한 후보로 꼽힌다. 가장 큰 장점은 상온에서 액체 전해질에 버금가거나 그 이상의 매우 높은 이온 전도도(10−3∼10−2S/cm)를 나타낸다는 점이다.9 이는 황(S) 원자가 산소(O) 원자보다 크고 전기음성도가 낮아 리튬 이온과의 결합력이 약하기 때문에, 리튬 이온이 격자 내에서 비교적 쉽게 이동할 수 있기 때문이다.23 또한, 산화물계에 비해 상대적으로 무른(soft) 기계적 특성을 가져, 압력을 가했을 때 쉽게 변형되어 전극 활물질과의 계면 접촉을 넓게 형성하는 데 유리하다. 이 덕분에 고온의 소결 공정 없이 상온 압착만으로도 치밀한 전해질 층을 만들 수 있어 공정성이 우수하다는 장점도 있다.23

그러나 치명적인 단점도 존재한다. 황화물계 소재는 대기 중의 수분(H2O)과 매우 쉽게 반응하여 인체에 유독한 황화수소(H2S) 가스를 발생시킨다.15 이러한 취약한 대기 안정성 때문에, 소재 합성부터 셀 제조까지 모든 공정을 수분이 완벽하게 제어되는 고가의 드라이룸(dry room) 환경에서 진행해야 하므로 생산 비용이 크게 증가한다. 또한, 전기화학적 안정성 창이 상대적으로 좁아 고전압 양극과 직접 접촉 시 산화 분해될 수 있으며, 리튬 메탈 음극과의 계면에서도 부반응이 일어날 수 있다는 문제점이 있다.27 대표적인 황화물계 소재로는 높은 전도도로 주목받은 LGPS(Li10GeP2S12)와 비교적 합성이 용이한 아지로다이트(Argyrodite, Li6PS5Cl) 등이 있다.16 현재 삼성SDI와 토요타 등이 이 황화물계 기술을 주력으로 고성능 전기차용 배터리 개발을 선도하고 있다.26

3.1.2 산화물계(Oxide-based)

산화물계 고체 전해질의 가장 큰 장점은 뛰어난 안정성이다. 대기 중의 수분이나 산소와 거의 반응하지 않아 공기 중에서 안정적으로 취급할 수 있으며, 이는 제조 공정의 편의성을 높이고 비용을 절감하는 요인이 된다.24 또한, 넓은 전기화학적 안정성 창을 가지고 있어 4V 이상의 고전압 양극재와도 안정적인 계면을 형성할 수 있다. 기계적 강도가 매우 높아 덴드라이트의 성장을 물리적으로 억제하는 데 가장 효과적인 소재로 평가받는다.28

반면, 황화물계에 비해 상온 이온 전도도가 한 자릿수 이상 낮은(10−4∼10−3S/cm) 것이 가장 큰 단점이다.23 또한, 단단하고 깨지기 쉬운(brittle) 세라믹 고유의 특성 때문에, 분말 형태의 전극 활물질과 균일하고 넓은 고체-고체 계면을 형성하기가 매우 어렵다. 이로 인해 계면 저항이 높아져 배터리 전체의 성능을 저하시키는 주요 원인이 된다.23 이 문제를 해결하고 입자 간의 치밀한 접촉을 만들기 위해서는 1000°C 이상의 고온에서 장시간 열처리를 하는 소결(sintering) 공정이 필수적인데, 이는 높은 에너지 비용을 유발하고 대면적 셀 제조를 어렵게 만드는 기술적 허들로 작용한다.26 대표적인 소재로는 가넷(Garnet) 구조의 LLZO(Li7La3Zr2O12), 페로브스카이트(Perovskite) 구조의 LLTO, 나시콘(NASICON) 구조의 LATP 등이 있다.28

3.1.3 고분자계(Polymer-based)

고분자(폴리머)계 고체 전해질은 유연성(flexibility)이 뛰어나다는 것이 가장 큰 특징이다. 이 덕분에 다양한 형태로 쉽게 가공할 수 있으며, 전극과의 계면 접착력이 우수하여 충·방전 시 발생하는 전극의 부피 변화에 잘 대응할 수 있다.12 또한, 기존 LIB의 전극 제조 공정인 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식을 그대로 적용할 수 있어 대량 생산이 용이하고 제조 비용이 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다.31

하지만 상온에서의 이온 전도도가 10−8∼10−6S/cm 수준으로 매우 낮아, 60~80°C의 고온 환경에서만 정상적으로 작동한다는 치명적인 단점을 가지고 있다.12 이는 상시 예열 시스템이 필요함을 의미하며, 에너지 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다. 또한, 전기화학적 안정성 창이 약 3.8V로 좁아 하이니켈계와 같은 고전압 양극재를 적용하기 어렵고, 기계적 강도가 낮아 리튬 덴드라이트를 효과적으로 억제하지 못하는 문제도 있다.12 대표적인 소재는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반 시스템이며 12, LG에너지솔루션 등이 초기 상용화 모델로 개발하고 있다. 현재는 산화물 나노 입자를 필러(filler)로 첨가하여 기계적 강도와 이온 전도도를 보완하는 복합 전해질 형태로 연구가 진행되고 있다.29

3.1.4 할라이드계(Halide-based)

할라이드계는 염소(Cl), 브롬(Br)과 같은 할로겐 원소를 기반으로 하는 고체 전해질로, 최근 황화물계와 산화물계의 장점을 절충할 수 있는 대안으로 급부상하고 있다. 황화물계에 버금가는 높은 이온 전도도를 가지면서도, 기계적으로는 황화물보다 더 안정적이고 산화물보다는 유연한(deformable) 특성을 보인다.38 가장 주목받는 장점은 뛰어난 산화 안정성이다. 황화물계와 달리 4V 이상의 고전압 양극재와 직접 접촉해도 분해되지 않아, 별도의 보호 코팅층 없이도 안정적인 계면을 형성할 수 있다.39 수분에 대한 안정성 또한 황화물계보다 우수하여 공정 편의성을 높일 수 있다.44

반면, 리튬 메탈 음극에 대한 환원 안정성이 낮아 직접 접촉 시 쉽게 분해되는 문제점을 안고 있다. 이 때문에 현재는 양극과 접하는 전해질, 즉 캐솔라이트(catholyte)로만 제한적으로 사용하거나, 음극과의 계면 안정성을 높이기 위한 별도의 연구가 진행되고 있다.41 또한, 이트륨(Y), 지르코늄(Zr) 등 희귀하거나 고가인 금속 원소를 포함하는 경우가 많아 원가 경쟁력 확보가 상용화의 주요 과제 중 하나다.39 대표적인 물질로는 Li3YCl6, Li3YBr6, Li2ZrCl6 등이 있다.39

이처럼 고체 전해질 개발은 특정 단일 소재의 완벽함을 추구하기보다, 각기 다른 소재의 장점을 융합하는 ‘하이브리드’ 또는 ‘복합체’ 형태로 진화하고 있다. 예를 들어, 고분자 매트릭스에 산화물 나노 입자를 분산시킨 ’고분자-산화물 복합 전해질’은 고분자의 공정성과 산화물의 기계적 강도를 동시에 취하려는 시도다.29 또한, 양극과 음극에 각각 다른 종류의 고체 전해질을 적용하는 다층(multi-layer) 구조도 유력한 대안으로 연구되고 있다.41 이는 전고체 배터리 기술이 특정 소재의 ‘승자독식’ 구도가 아닌, 각 소재의 역할을 최적화하는 시스템 엔지니어링 관점으로 발전하고 있음을 시사한다.

3.2 차세대 전극 소재 기술

3.2.1 음극: 흑연을 넘어 리튬 메탈(Lithium Metal) 시대로

전고체 배터리가 목표하는 초고에너지 밀도를 달성하기 위한 핵심 열쇠는 리튬 메탈 음극의 안정적인 구현에 있다.3 리튬 메탈은 이론 용량이 3860 mAh/g으로, 현재 상용화된 흑연 음극(372 mAh/g) 대비 10배 이상 높아, 음극의 무게와 부피를 획기적으로 줄일 수 있다.48 고체 전해질은 그 자체의 기계적 강도를 통해 덴드라이트의 성장을 물리적으로 억제하는 ‘방어벽’ 역할을 할 수 있어, 그동안 불가능의 영역으로 여겨졌던 리튬 메탈 음극의 상용화 가능성을 열었다.8

더 나아가, 음극 활물질을 아예 사용하지 않는 ‘음극 없는(Anode-less)’ 또는 ‘애노드 프리(Anode-free)’ 구조가 궁극적인 기술로 연구되고 있다.48 이 구조는 셀 제조 시 음극에 구리 집전체만 배치하고, 최초 충전 과정에서 양극에서 이동해 온 리튬 이온이 구리 집전체 표면에 직접 석출(plating)되어 그 자리에서(in-situ) 리튬 메탈 음극층을 형성하는 방식이다. 이는 음극 활물질이 차지하던 부피를 완전히 제거하여 에너지 밀도를 한 단계 더 끌어올릴 수 있다. 또한, 반응성이 높고 다루기 까다로운 얇은 리튬 포일을 미리 제조하여 셀에 삽입하는 공정을 생략할 수 있어, 잠재적으로 제조 공정을 단순화하고 원가를 절감하는 효과도 기대할 수 있다.50 퀀텀스케이프(QuantumScape)가 이 애노드 프리 기술을 핵심 전략으로 내세우고 있다.49

3.2.2 양극: 기존 활물질의 적용과 최적화

전고체 배터리 시대에도 양극재 기술은 급진적인 변화보다는 점진적인 최적화의 길을 걸을 것으로 예상된다. 개발 초기에는 기존 LIB에서 높은 성능과 신뢰성이 검증된 하이니켈 삼원계(NCM, NCA 등) 양극 활물질이 그대로 주력으로 사용될 전망이다.9 이는 양극재 기술의 성숙도가 높고, 안정적인 글로벌 공급망이 이미 구축되어 있기 때문이다. 전고체 배터리 개발의 핵심 난제가 고체 전해질 개발과 계면 문제 해결에 집중되어 있는 만큼, 검증된 양극재를 활용하여 개발의 복잡성과 리스크를 줄이려는 전략적 판단이 작용한 것이다.

다만, 고체 전해질과의 원활한 계면을 형성하기 위한 최적화 기술은 필수적이다. 고체-고체 계면에서 발생하는 높은 저항과 부반응을 억제하기 위해, 양극 활물질 입자 표면을 수 나노미터(nm) 두께의 얇은 무기물 층으로 코팅하는 ‘완충층(buffer layer)’ 기술이 핵심으로 꼽힌다.41 이 완충층은 리튬 이온은 원활하게 통과시키면서도, 전자의 이동은 막고 전해질과의 직접적인 화학 반응을 차단하는 역할을 한다. 현재 LiNbO3, Li_{2}ZrO_{3}와 같은 리튬계 금속 산화물 소재들이 유력한 완충층 후보 물질로 활발히 연구되고 있다.41

4. 전고체 배터리의 성능 특성: 장점과 극복 과제

4.1 혁신적 장점 분석

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 한계를 뛰어넘는 다양한 잠재적 장점을 가지고 있으며, 이는 안전성, 에너지 밀도, 수명, 충전 속도 등 다방면에 걸쳐 나타난다.

4.1.1 안전성: 열폭주 및 화재 위험의 근원적 해결

전고체 배터리의 가장 명확하고 본질적인 장점은 바로 안전성이다. 가연성 유기 액체 전해질을 불연성의 무기 고체 전해질로 대체함으로써, 외부 충격이나 내부 결함으로 인한 누액, 발화, 폭발의 위험을 원천적으로 차단한다.3 배터리 내부 온도가 비정상적으로 상승하는 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 고체 전해질은 화학적으로 안정된 구조를 유지하여 연쇄적인 발열 반응을 억제한다. 일부 연구에 따르면, 열폭주 시 발생하는 열량이 기존 LIB의 20~30% 수준에 불과한 것으로 보고되었다.7

또한, 고체 전해질이 가지는 높은 기계적 강도는 덴드라이트 성장에 대한 물리적 장벽으로 작용한다. 충·방전 과정에서 음극 표면에 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정체인 덴드라이트는 기존 LIB에서 분리막을 훼손시켜 내부 단락(short circuit)과 화재를 유발하는 주된 원인이었다. 전고체 배터리는 단단한 고체 전해질이 덴드라이트가 뚫고 성장하는 것을 효과적으로 억제하여, 고용량 리튬 메탈 음극을 사용하더라도 높은 안전성을 확보할 수 있게 한다.8

이러한 높은 열적 안정성은 배터리의 작동 온도 범위를 -20°C에서 100°C 이상까지 넓히는 효과도 가져온다.3 특히 고온 환경에서의 안정성이 뛰어나기 때문에, 기존 LIB에 필수적이었던 복잡한 열 관리 및 냉각 시스템을 대폭 단순화하거나 제거할 수 있다. 이는 배터리 팩 단위의 부피와 무게를 줄이고 시스템 비용을 절감하는 데 직접적으로 기여한다.

4.1.2 에너지 밀도: 이론적 한계와 실제적 구현 수준 (Wh/kg, Wh/L)

전고체 배터리는 구조적 혁신을 통해 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이는 중량 에너지 밀도(Gravimetric energy density, Wh/kg)와 부피 에너지 밀도(Volumetric energy density, Wh/L) 양쪽 모두에서 나타난다.

중량 에너지 밀도는 기존 LIB의 상용 한계치인 약 300 Wh/kg을 넘어 350~500 Wh/kg 이상을 구현하는 것을 목표로 한다.16 중국의 CATL은 500 Wh/kg 수준의 시제품을 발표했으며 57, 칭화대학교 연구팀은 실험실 수준에서 604 Wh/kg을 달성한 연구 결과를 보고하기도 했다.56 이러한 성능 향상은 주로 고용량의 리튬 메탈 음극을 사용하고, 분리막, 케이싱, 냉각 장치 등 에너지 저장에 직접 기여하지 않는 부품들의 무게를 줄임으로써 가능해진다.17

부피 에너지 밀도의 향상 효과는 더욱 극적이다. 분리막이 사라지고, 셀을 직렬로 직접 쌓는 바이폴라 스태킹 구조를 적용함으로써 배터리 내부의 비활성 공간을 최소화할 수 있기 때문이다. 이로 인해 동일한 부피에 2배 가까운 에너지를 저장할 수 있게 된다.13 주요 개발사들은 높은 목표치를 제시하고 있다. 삼성SDI는 900 Wh/L 59, SK온은 800~1000 Wh/L 60, 퀀텀스케이프는 844 Wh/L를 목표로 하고 있다.62 이는 전기차에 적용될 경우, 1회 충전으로 800km에서 최대 1200km까지 주행거리를 획기적으로 늘리거나 63, 동일한 주행거리를 유지하면서 배터리 팩의 크기와 무게를 절반 가까이 줄여 차량의 실내 공간을 넓히고 디자인 자유도를 높일 수 있음을 의미한다.65

4.1.3 수명 및 충전 속도: 사이클 특성과 고속 충전 가능성

전고체 배터리는 이론적으로 긴 수명(cycle life) 특성을 가진다. 액체 전해질을 사용할 때 발생하는 지속적인 분해나 전극과의 부반응(side reaction)이 현저히 줄어들기 때문이다.1 퀀텀스케이프는 자사의 전고체 배터리가 1000회의 충·방전 사이클 이후에도 초기 용량의 95% 이상을 유지했다고 발표했는데, 이는 전기차로 환산 시 약 50만 km를 성능 저하 없이 주행할 수 있음을 의미한다.48 일부 연구에서는 특정 조건 하에서 리튬 메탈 기반 전고체 배터리가 8,000회에서 10,000회까지의 사이클 수명을 가질 수 있다는 데이터도 제시되었다.54

충전 속도 또한 획기적으로 개선될 수 있다. 고속 충전 시 배터리 내부 온도가 급격히 상승하는데, 전고체 배터리는 뛰어난 열적 안정성 덕분에 이러한 고온 환경을 더 잘 견딜 수 있다. 이는 더 높은 전류로 안전하게 충전하는 것을 가능하게 하여 충전 시간을 크게 단축시키는 요인이 된다.3 현재 업계에서는 10분에서 15분 이내에 배터리 용량의 80%까지 충전하는 것을 상용화 목표로 제시하고 있다.62

4.2 상용화를 가로막는 기술적 난제

이러한 혁신적인 장점에도 불구하고, 전고체 배터리가 상용화되기까지는 반드시 해결해야 할 여러 기술적 난제들이 존재한다.

4.2.1 낮은 이온 전도도와 온도 의존성

대부분의 고체 전해질은 상온에서 액체 전해질보다 리튬 이온 전도도가 낮다. 이는 고체 격자 구조 내에서 이온이 이동하는 것이 액체 내에서 이동하는 것보다 본질적으로 어렵기 때문이다.4 낮은 이온 전도도는 배터리의 내부 저항을 높여 출력을 저하시키고, 특히 급가속과 같이 순간적으로 높은 출력이 필요한 상황에서 성능을 제한하는 요인이 된다. 특히 고분자계나 일부 산화물계 전해질은 저온에서 성능 저하가 매우 심각하여, 겨울철 전기차 운용에 큰 제약이 될 수 있다.1

4.2.2 고체-고체 계면 저항 문제

계면 저항은 전고체 배터리 상용화의 가장 핵심적이고 어려운 난제로 꼽힌다. 액체 전해질은 표면장력 덕분에 전극 활물질의 미세한 표면 요철까지 스며들어 넓은 접촉 면적을 형성하지만, 고체 전해질과 고체 전극 입자는 물리적으로 완벽하게 접촉하기 어렵다.3 이로 인해 전극과 전해질 사이에 미세한 빈 공간(void)이 발생하게 되는데, 이 공간은 리튬 이온의 이동을 가로막는 장벽으로 작용하여 높은 계면 저항을 유발한다.10 이 저항은 배터리의 충·방전 효율과 출력을 저하시키는 주된 원인이 된다. 더욱이 충·방전 과정에서 전극 활물질이 미세하게 팽창하고 수축하면서 계면이 점차 분리(박리)되어 저항이 더욱 증가하고 수명이 단축되는 문제도 발생한다.10

4.2.3 리튬 덴드라이트 형성 및 억제 메커니즘

고체 전해질이 덴드라이트 성장을 억제할 수 있다는 것은 전고체 배터리의 핵심 장점 중 하나지만, 이 기능이 완벽하지는 않다. 특히 높은 전류 밀도로 급속 충전을 시도할 경우, 리튬 이온이 음극 표면에 균일하게 쌓이지 못하고 특정 지점에 집중되면서 덴드라이트가 성장할 수 있다. 또한, 고체 전해질 자체의 결정립계(grain boundary)나 미세한 균열 등 기계적으로 취약한 부분을 따라 덴드라이트가 파고들어 성장할 수 있으며, 이는 결국 내부 단락으로 이어질 수 있다.8

4.2.4 제조 공정의 복잡성과 비용 문제

현재 전고체 배터리의 생산 비용은 상용화를 논하기 어려울 정도로 높다. 이는 소재와 공정 양쪽 모두에 기인한다.

• 높은 소재 비용: 특히 가장 유망한 소재로 꼽히는 황화물계 고체 전해질의 핵심 원료인 황화리튬(Li2S)은 kg당 1500~2000달러에 달한다. 이는 기존 액체 전해질의 가격(kg당 약 9달러)보다 200배 이상 비싼 수준이다.72
• 복잡한 공정: 황화물계 전해질은 수분에 매우 취약하여 모든 생산 공정을 고가의 드라이룸 설비 내에서 진행해야 한다. 산화물계 전해질은 치밀화를 위해 고온의 소결 공정이 필요하다.15 이러한 복잡하고 까다로운 공정들은 대량 생산의 가장 큰 걸림돌로 작용하며, 초기 전고체 배터리의 가격을 매우 높게 형성시키는 주된 요인이 될 것이다.1

이러한 기술적 난제들은 서로 복잡하게 얽혀 있으며, 하나의 문제를 해결하면 다른 문제가 부각되는 상충 관계(trade-off)를 형성하기도 한다. 예를 들어, 계면 저항을 줄이기 위해 전극과 전해질을 강하게 압착하면 내부 응력이 증가하여 기계적 파손의 위험이 커질 수 있다.10 따라서 높은 에너지 밀도, 높은 출력, 그리고 장기적인 안정성을 동시에 달성하기 위해서는 소재, 공정, 셀 설계 전반에 걸친 종합적인 기술 혁신이 요구된다.

5. 기술 난제 극복을 위한 최신 연구 동향 (2024-2025년 중심)

전고체 배터리의 상용화를 가로막는 기술적 난제들을 극복하기 위해 전 세계 연구진들은 소재, 공정, 설계 등 다방면에 걸쳐 혁신적인 해결책을 모색하고 있다. 특히 계면 안정성, 덴드라이트 억제, 이온 전도도 향상에 초점을 맞춘 최신 연구들이 2024년과 2025년을 중심으로 활발하게 발표되고 있다.

5.1 계면 안정성 향상 기술: 완충층, 나노카본 도전재, 현장 중합 기술

고체-고체 계면에서 발생하는 높은 저항과 화학적 부반응은 전고체 배터리의 성능과 수명을 저하시키는 가장 큰 원인이다. 이를 해결하기 위한 ‘인터페이스 엔지니어링’ 기술이 핵심 연구 분야로 부상했다.

• 완충층(Buffer Layer): 전극 활물질 입자 표면을 수 나노미터(nm) 두께의 얇은 코팅층으로 감싸, 활물질과 고체 전해질이 직접 접촉하는 것을 막는 기술이다. 이 완충층은 리튬 이온은 원활하게 통과시키면서도, 전자 이동을 차단하고 화학적 부반응을 억제하는 역할을 한다. 특히, 전기화학적 안정성 창이 좁은 황화물계 전해질을 고전압 양극과 함께 사용할 때 발생하는 전해질 분해를 막기 위해 필수적인 기술로 간주된다.41 현재 LiNbO3​, Li_{2}ZrO_{3}와 같은 리튬계 금속 산화물 소재가 유력한 완충층 후보 물질로 활발히 연구되고 있다.41
• 나노카본 도전재(Nanocarbon Conductive Agent): 전극 내에서 전자 이동을 돕는 도전재로 기존의 점(point) 형태인 카본블랙 대신, 선(line) 형태의 구조를 가진 탄소나노튜브(CNT)를 사용하는 기술이다. CNT는 카본블랙보다 훨씬 적은 양으로도 효과적인 전자 전도 네트워크를 형성할 수 있다.74 이는 도전재의 사용량을 획기적으로 줄이고, 그만큼의 공간에 더 많은 활물질을 채워 넣어 배터리의 에너지 밀도를 높이는 직접적인 효과를 가져온다.74 또한, 고체 입자들로 구성된 전극 내부에 긴밀한 전자 이동 경로를 확보함으로써, 높은 계면 저항 문제를 완화하고 배터리 출력을 향상시키는 데 기여한다.79
• 현장 중합(In-situ Polymerization) 기술: 고체 전극의 기공 내부에 액체 상태의 단량체(monomer)를 먼저 침투시킨 후, 열이나 빛을 가해 그 자리에서 고분자(polymer) 전해질로 고체화시키는 공정 기술이다.56 이 방식은 고체 입자 사이의 미세한 틈새까지 고분자 전해질이 완벽하게 채워주기 때문에, 계면 접촉을 극대화하고 빈 공간(void)으로 인한 계면 저항을 원천적으로 차단하는 효과가 있다.81 이는 기존에 분말 형태의 고체 전해질을 기계적으로 압착하는 방식으로는 달성하기 어려운 수준의 계면 밀착력을 구현할 수 있는 혁신적인 접근법이다.

5.2 덴드라이트 억제 신기술: 특수 보호층, 나노입자 활용, 집전체 설계

리튬 메탈 음극의 상용화를 위해 덴드라이트 성장을 효과적으로 제어하는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

• 특수 무기질 보호층: 리튬 메탈 음극 표면에 인공적으로 얇은 보호층을 형성하는 기술이다. 이 보호층은 리튬 이온 전도도는 높지만 전자 전도도는 낮아, 리튬 이온이 표면에 균일하게 석출되도록 유도하고 덴드라이트의 핵 생성을 억제한다. 최근 SK온과 한양대학교 공동 연구팀은 질화리튬(Li3N)과 산화리튬(Li2O) 기반의 복합 보호층을 리튬 메탈 표면에 형성하여, 덴드라이트 성장을 억제하고 배터리 수명을 기존 대비 3배 이상 향상시키는 데 성공했다고 발표했다.83
• 나노입자 활용: 고체 전해질 내부에 특정 금속 나노입자를 분산시켜 덴드라이트 성장을 제어하는 기술이다. KETI(한국전자기술연구원)와 중앙대, 서울대 공동 연구팀은 은(Ag) 나노입자를 포함하는 고체 전해질을 개발했다. 충전 시, 이 은 나노입자들이 리튬이 우선적으로 달라붙어 성장할 수 있는 ‘씨앗(seed)’ 역할을 하여, 리튬이 특정 지점에 집중되지 않고 표면 전체에 고르게 석출되도록 유도하는 메커니즘을 규명했다. 이를 통해 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제할 수 있음을 입증했다.85
• 집전체 표면 제어: 리튬이 석출되는 음극 집전체(주로 구리박)의 표면 구조를 원자 단위에서 제어하는 기술이다. 울산과학기술원(UNIST) 연구팀은 리튬 원자가 표면에서 쉽게 미끄러지며 이동할 수 있는 특정 결정면(Cu(111))을 가진 단결정 구리박을 집전체로 사용할 경우, 리튬이 평면 형태로 매우 균일하게 성장하여 덴드라이트가 억제된다는 사실을 발견했다.88

5.3 이온 전도도 향상을 위한 기초 연구: 원자 진동(포논) 제어

고체 전해질의 낮은 이온 전도도를 근본적으로 해결하기 위한 기초 과학적 접근도 중요한 성과를 내고 있다. 고려대학교 강용묵 교수 연구팀은 머신러닝 기반의 계산과학 기법을 도입하여, 고체 전해질 격자의 미세한 원자 진동, 즉 ’포논(phonon)’이 리튬 이온의 이동에 미치는 영향을 정밀하게 분석했다.90

연구 결과, 산화물계 고체 전해질에 특정 원소(탄탈럼, Ta)를 소량 첨가(도핑)하면 격자 내 원자 간 결합이 느슨해지면서 불규칙한 진동인 ’비조화 포논(anharmonic phonon)’이 활성화된다는 사실을 밝혀냈다. 이 비조화 포논은 리튬 이온이 하나씩 개별적으로 이동하는 기존의 방식을 넘어, 주변의 여러 이온들이 마치 파도처럼 협력하여 동시에 이동하는 ’집단적 전도 현상’을 촉진하는 것으로 나타났다. 이 메커니즘을 통해 고체 전해질의 이온 전도도를 액체 전해질 수준으로 끌어올릴 수 있음을 세계 최초로 실험적으로 입증했으며, 이는 향후 새로운 고전도성 고체 전해질 소재를 설계하는 데 중요한 이론적 토대를 제공한다.90

5.4 반고체 배터리: 전고체로의 전환을 위한 과도기 기술

완전한 전고체 배터리의 상용화에 상당한 시간이 소요될 것으로 예상됨에 따라, 기존 LIB 공정을 최대한 활용하면서 안전성을 개선할 수 있는 과도기적 기술로서 ’반고체 배터리(Semi-solid-state Battery)’가 주목받고 있다.1

반고체 배터리는 소량의 액체 또는 젤 형태의 전해질을 고체 전해질과 혼합하여 사용하는 방식이다. 이 소량의 액체 성분은 고체 입자들 사이의 계면을 적셔주어 접촉을 개선하고, 이온 전달 경로를 확보함으로써 고체-고체 계면 저항 문제를 완화하는 데 효과적이다.1 이는 완전 전고체로 나아가는 과정에서 기술적 난이도와 생산 비용 사이의 현실적인 타협점을 찾는 전략적 선택으로 볼 수 있다. 중국 기업들을 중심으로 개발이 활발하며, CATL이 발표한 ’응축형 배터리(Condensed Battery)’가 대표적인 예다. 이 배터리는 에너지 밀도 500

Wh/kg을 달성한 반고체 기술의 일종으로, 고출력 바이오닉 응축 전해질이라는 독자적인 소재를 통해 리튬 이온의 수송 효율을 극대화한 것이 특징이다.92 이러한 반고체 기술의 등장은 전고체 기술의 상용화 경로가 단선적인 ’기술적 도약’이 아니라, 시장의 요구와 생산 인프라를 고려한 점진적인 ’기술적 진화’의 형태를 띨 수 있음을 시사한다.

6. 글로벌 개발 현황 및 상용화 전략

전고체 배터리 기술은 차세대 배터리 시장의 패권을 결정할 핵심 변수로 부상했으며, 이를 선점하기 위한 글로벌 기업 및 국가 간의 경쟁이 치열하게 전개되고 있다. 한국, 일본, 미국, 중국을 중심으로 주요 기업들은 각기 다른 기술 로드맵과 상용화 전략을 바탕으로 개발에 속도를 내고 있다.

6.1 국내 주요 기업 동향: 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온

국내 배터리 3사는 각기 다른 강점과 전략을 바탕으로 전고체 배터리 개발 경쟁을 주도하고 있다.

• 삼성SDI: 국내 3사 중 가장 공격적이고 구체적인 상용화 목표를 제시하며 시장 선점에 대한 강한 의지를 보이고 있다. 2027년 전고체 배터리 양산을 공식 목표로 설정했으며, 이는 글로벌 시장에서도 가장 빠른 수준이다.61 삼성SDI의 기술 전략 핵심은 높은 이온 전도도를 자랑하는 ‘황화물계’ 고체 전해질과, 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 독자적인 ‘애노드 프리(Anode-free)’ 기술이다. 이를 통해 부피 에너지 밀도 900
  Wh/L 달성을 목표로 하고 있다.59 경기도 수원 연구소에 국내 최초의 전고체 배터리 파일럿 라인인 ’S라인’을 구축하여 시제품을 생산하고 있으며, 잠재 고객사인 완성차 업체들과의 샘플 테스트 및 검증을 진행하며 양산 가능성을 타진하고 있다.59
• LG에너지솔루션: 기술의 성숙도와 시장 상황을 고려한 ‘투트랙(Two-track)’ 전략을 구사하고 있다. 상대적으로 기술 난도가 낮고 기존 공정 활용도가 높은 ‘고분자계’ 전고체 배터리를 2026년까지 먼저 상용화하고, 이후 궁극적인 고성능 기술로 평가받는 ’황화물계’를 2030년까지 상용화한다는 단계적 접근법을 취하고 있다.29 단기적인 시장 진입과 장기적인 기술 리더십 확보를 동시에 추구하는 전략이다. 이를 위해 KAIST, 미국 샌디에이고 대학(UCSD) 등 국내외 유수 연구기관과의 공동 연구를 통해 상온 급속충전 기술, 무음극전지 기술 등 핵심 원천 기술 확보에 주력하며 기술적 기반을 다지고 있다.98
• SK온: LG에너지솔루션과 유사하게 ’황화물계’와 ‘고분자-산화물 복합계’ 두 가지 기술을 동시에 개발하고 있다. 황화물계의 상용화 목표 시점을 기존 2030년에서 2029년으로 1년 앞당기며 개발에 속도를 내고 있다.29 SK온의 전략적 특징은 외부와의 적극적인 협력을 통한 기술력 확보다. 미국의 유력 전고체 배터리 스타트업인 ’솔리드파워(Solid Power)’에 3000만 달러를 투자하고 공동 개발을 진행하며 황화물계 기술을 확보하고 있다.30 또한, 대전 미래기술원에 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공하고, 상온보다 높은 온도에서 균일한 압력을 가해 밀도와 성능을 높이는 ’온간등압프레스(WIP) 프리 기술’과 같은 독자적인 생산 공정 기술 개발에도 집중하고 있다.100

6.2 해외 주요 기업 동향: Toyota, QuantumScape, Solid Power, CATL 등

해외에서는 특히 일본의 토요타가 기술 특허를 바탕으로 앞서나가고 있으며, 미국의 혁신 스타트업과 중국의 거대 배터리 기업들이 그 뒤를 쫓는 형국이다.

• Toyota (일본): 전고체 배터리 분야에서 2006년부터 연구개발에 착수하여 가장 많은 수의 핵심 특허를 선점하고 있는 기술적 선두 주자다.102 황화물계 기술을 중심으로 개발을 진행하고 있으며, 이르면 2027~2028년에 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 출시하는 것을 목표로 하고 있다.64 1회 충전으로 1200km 주행이 가능한 배터리 개발을 목표로 제시했으며, 일본의 석유화학 기업인 이데미츠 코산(Idemitsu Kosan)과 협력하여 고체 전해질의 대량 생산 기술을 확보하는 데 주력하고 있다.64
• QuantumScape (미국): 독일 폭스바겐 그룹의 전폭적인 투자를 받고 있는 스타트업으로, 독자적으로 개발한 세라믹 분리막(고체 전해질)과 ‘애노드 프리’ 기술이 핵심 경쟁력이다.48 폭스바겐 산하 파워코(PowerCo)가 진행한 성능 테스트에서 1000회 충·방전 후에도 95% 이상의 용량 유지율(전기차로 환산 시 약 50만 km 주행에 해당)을 기록하는 등 뛰어난 성능을 입증하며 시장의 큰 주목을 받았다.48
• Solid Power (미국): BMW, Ford, SK온 등 유수의 완성차 및 배터리 기업들과의 파트너십을 기반으로 황화물계 기술을 개발하고 있다.106 에너지 밀도 330
  Wh/kg 수준의 시제품을 완성차 업체에 공급하여 실제 차량 환경에서의 검증을 진행 중이며 106, 최근에는 한국 충주에 전고체 배터리 생산 라인 구축을 추진하는 등 양산을 위한 구체적인 행보를 보이고 있다.108
• CATL (중국): 글로벌 1위 배터리 기업으로, 초기에는 전고체 배터리의 단기 상용화에 대해 회의적인 입장을 보였으나 최근 막대한 자본과 인력을 투입하며 개발에 속도를 내고 있다. 2027년 소량 생산을 목표로 설정했으며, 에너지 밀도 500 Wh/kg 수준의 시제품을 개발한 것으로 알려졌다.57 이를 위해 1000명에 가까운 대규모 R&D 인력을 투입하는 등 ’규모의 경제’를 바탕으로 빠르게 기술 격차를 좁히고 있다.110

6.3 시장 전망 및 가격 예측: SNE리서치, IDTechEx 등 주요 기관 분석

전고체 배터리 시장의 미래 규모에 대해 주요 시장조사기관들은 공통적으로 폭발적인 성장을 예측하고 있으나, 구체적인 수치에는 다소 차이를 보인다. 이러한 편차는 기술 발전 속도, 원가 절감 가능성, 전기차 시장의 성장률 등 다양한 변수에 대한 가정의 차이에서 비롯된 것으로, 상용화 경로의 불확실성을 반영한다.

• 시장 규모 전망:

• SNE리서치: 글로벌 전고체 배터리 시장이 2022년 2,750만 달러에서 2030년에는 400억 달러 규모로 급성장할 것으로 전망했다.95 용량 기준으로는 2030년 122 GWh에 도달하여 전체 배터리 시장의 약 1.6%에서 4%를 차지하고, 2035년에는 493 GWh(침투율 6.1%)로 더욱 성장할 것으로 예측했다.73

• IDTechEx: SNE리서치보다는 다소 보수적인 전망을 내놓았다. 2030년 시장 규모를 60억 달러 114, 2031년 80억 달러 115, 그리고 2035년에는 90억 달러에 이를 것으로 예측했다.116

• 가격 전망: 높은 초기 생산 비용은 기술 성숙과 규모의 경제 확보를 통해 점차 하락할 것으로 예상된다. SNE리서치는 리튬 메탈 음극 기반 전고체 배터리의 가격이 2025년 kWh당 300달러 수준에서, 10년 뒤인 2035년에는 kWh당 120달러 수준까지 하락할 것으로 전망했다. 이는 현재의 주류 리튬이온 배터리 가격과 유사한 수준으로, 가격 경쟁력을 확보할 수 있음을 시사한다.118

• 상용화 전망: 대부분의 기업과 기관들은 2027년에서 2030년 사이를 전고체 배터리의 본격적인 초기 상용화 시점으로 보고 있다.105 그러나 높은 기술 장벽과 원가 문제로 인해, 2030년이 되어서야 실제 전기차 실증이 본격화될 것이며 시장 침투율은 5% 미만에 그칠 것이라는 신중론도 여전히 존재한다.73 이는 배터리 시장이 상당 기간 동안 기존 리튬이온 배터리 위주로 전개될 것임을 의미한다.

7. 전고체 배터리의 산업적 파급 효과 및 미래 전망

전고체 배터리의 상용화는 단순히 기존 배터리를 대체하는 것을 넘어, 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 그리고 도심 항공 교통(UAM)과 같은 미래 모빌리티 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 변화를 촉발할 잠재력을 가지고 있다.

7.1 전기차(EV) 산업의 혁신: 주행거리, 안전, 디자인의 변화

전고체 배터리는 전기차 대중화의 가장 큰 걸림돌로 지적되어 온 문제들을 근본적으로 해결할 수 있는 ‘게임 체인저’ 기술이다.

• 주행거리 불안(Range Anxiety) 해소: 높은 에너지 밀도를 바탕으로 1회 충전 주행거리를 현재의 500~600km 수준에서 800~1200km까지 획기적으로 연장할 수 있다.63 이는 대부분의 내연기관차와 동등하거나 그 이상의 주행 경험을 제공함으로써, 소비자들이 전기차 구매를 망설이는 가장 큰 이유 중 하나를 제거하는 효과를 가져온다.
• 충전 편의성 극대화: 10분에서 15분 이내에 80%까지 충전할 수 있는 초고속 충전 기술은, 주유소에서 연료를 주입하는 것과 유사한 수준의 편의성을 제공한다.67 이는 장거리 운행의 부담을 크게 줄이고, 충전 인프라에 대한 압박을 완화하여 전기차의 전반적인 운용 편의성을 극대화한다.
• 절대적 안전성 확보: 화재 및 폭발 위험이 현저히 낮아져 전기차의 안전성에 대한 소비자의 신뢰를 근본적으로 높일 수 있다.53 이는 전기차 구매 결정에 중요한 긍정적 요인으로 작용할 뿐만 아니라, 지하 주차장 충전 금지와 같은 사회적 갈등을 해소하는 데도 기여할 수 있다.
• 차량 설계의 혁신: 배터리 팩의 부피와 무게를 약 200~300kg까지 줄일 수 있어 122, 차량의 전반적인 효율(전비)을 개선하고 운동 성능을 향상시킨다. 또한, 배터리 팩이 차지하던 공간이 줄어들면서 더 넓은 실내 공간을 확보하거나, 기존에는 불가능했던 혁신적인 차량 디자인을 시도할 수 있는 자유도가 크게 향상된다.8

다만, 전고체 배터리에 대한 높은 기대감은 역설적으로 단기적인 시장 침체를 유발할 가능성도 제기된다. 2027년 이후 전고체 배터리 탑재 차량 출시가 예고되면서, 소비자들이 월등한 성능을 기대하며 현재의 LIB 기반 전기차 구매를 미루는 ‘대기 수요’ 또는 ‘구매 지연’ 현상이 발생할 수 있다.123 이는 전기차 전환기에 나타나는 ‘캐즘(Chasm)’ 현상을 심화시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 완성차 업체들은 소비자 심리를 관리하고 부드러운 기술 전환을 유도해야 하는 복잡한 전략적 과제에 직면하게 될 것이다.

7.2 에너지 저장 시스템(ESS) 시장에의 적용 가능성

에너지 저장 시스템(ESS) 시장에서도 전고체 배터리의 가치는 매우 높다. ESS는 대규모 에너지를 저장하는 장치인 만큼, 안전성이 무엇보다 중요하다. 특히 인구 밀집 지역인 도심에 설치되는 상업용·빌딩용 ESS의 경우, 화재 발생 시 막대한 인명 및 재산 피해로 이어질 수 있다. 불연성 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 이러한 화재 위험을 원천적으로 차단하여, 도심 지역 ESS 보급 확대의 핵심적인 안전 솔루션을 제공할 수 있다.124

또한, 높은 에너지 밀도는 동일한 설치 면적에 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 한다. 이는 부지 확보가 어려운 도심형 ESS나 데이터센터의 비상전원장치(UPS) 구축에 매우 유리한 조건이다.125 긴 수명 특성은 잦은 충·방전이 반복되는 ESS의 전체 수명 주기 비용(LCC)을 절감시키는 경제적 이점도 제공한다. 이러한 특성을 바탕으로 전고체 배터리는 태양광, 풍력 등 간헐성이 큰 신재생에너지의 출력을 안정화하고 전력망(Grid)의 안정성에 기여하는 핵심 기술로 자리 잡을 수 있다.67

7.3 신규 응용 분야: 도심 항공 교통(UAM), 로보틱스, 웨어러블 기기

전고체 배터리의 고유한 특성은 기존 배터리 기술로는 접근하기 어려웠던 새로운 응용 분야의 문을 열고 있다.

• 도심 항공 교통(UAM): UAM 기체는 수직 이착륙 시 순간적으로 막대한 출력을 필요로 하며, 비행 안전을 위해 배터리의 경량화와 절대적인 안전성이 필수적으로 요구된다.126 전고체 배터리는 높은 에너지 밀도(경량화)와 본질적인 안전성을 동시에 만족시키는 거의 유일한 솔루션으로 평가받으며, UAM 상용화를 위한 핵심 기반 기술로 주목받고 있다.97
• 로보틱스 및 웨어러블 기기: 로봇의 작동 시간을 연장하고 구동부의 무게를 줄여 효율을 높이는 데 기여할 수 있다. 웨어러블 기기에서는 인체와 직접 접촉하는 만큼 안전성이 매우 중요한데, 전고체 배터리는 이러한 요구를 충족시킨다.10 특히, 얇고 유연하게 제작할 수 있는 박막형(thin-film) 전고체 배터리는 스마트 의류, 의료용 임플란트, 초소형 센서 등 새로운 시장을 창출할 잠재력을 가지고 있다.16

이처럼 전고체 배터리 기술은 단순히 자동차나 ESS의 성능을 개선하는 것을 넘어, ’에너지의 분산화’와 ’모빌리티의 다변화’를 가속하는 핵심 인프라 기술로 기능할 것이다. 안전하고 고용량인 에너지 저장 장치는 개별 가정이나 건물이 에너지를 자급자족하는 ’분산형 에너지 시스템’의 핵심 요소가 되며 67, 가볍고 안전하며 고출력인 배터리는 UAM, 배송 드론, 자율주행 로봇 등 새로운 형태의 모빌리티를 현실화하는 데 필수적이다.126

7.4 종합 결론 및 제언: 기술 성숙도와 미래 과제

전고체 배터리는 안전성, 에너지 밀도, 수명 측면에서 기존 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 ’꿈의 배터리’로서의 잠재력을 명확히 보여주고 있다. 그러나 이러한 이론적 우월성에도 불구하고, 낮은 이온 전도도, 높은 고체-고체 계면 저항, 덴드라이트 성장 제어, 그리고 높은 제조 비용이라는 명확한 기술적, 경제적 허들을 넘어야 하는 과제를 안고 있다.

글로벌 주요 기업들의 로드맵을 종합해 볼 때, 2027년에서 2030년을 기점으로 초기 상용화가 시작될 것으로 예상된다. 하지만 높은 초기 가격으로 인해 프리미엄 전기차나 UAM과 같은 특수 목적 시장에 한정적으로 적용될 가능성이 높으며, 일반 대중 시장으로 확산되기까지는 상당한 시간이 소요될 전망이다.

따라서 향후 수년간은 기술적 완성도를 높이고 원가 경쟁력을 확보하기 위한 양산 기술 개발이 전고체 배터리 산업의 성패를 좌우할 것이다. 이 기간 동안, 단기적으로는 반고체 배터리와 같은 과도기적 기술이나, 실리콘 음극재 적용 확대 등으로 성능이 지속적으로 개선되고 있는 기존 리튬이온 배터리와의 치열한 시장 경쟁이 불가피할 것이다. 궁극적으로 전고체 배터리가 차세대 배터리 시장의 주도권을 확보하기 위해서는, 기술적 난제를 극복하여 압도적인 성능 격차를 증명함과 동시에, 규모의 경제를 통한 가격 경쟁력 확보라는 두 가지 과제를 성공적으로 해결해야 할 것이다.

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101. SK온·SK넥실리스, 전고체 배터리 기술 개발 ‘착착’ - 중앙이코노미뉴스, https://www.joongangenews.com/news/articleView.html?idxno=407221
102. ‘특허 전쟁’ 중인 전고체 배터리… 토요타 제치는 기술 리더, 국내에 나올까 - 녹색경제신문, https://www.greened.kr/news/articleView.html?idxno=326302
103. 전고체 배터리 상용화 공언한 日 토요타…회의론 교차 - 지디넷코리아, https://zdnet.co.kr/view/?no=20231016161554
104. 3년 뒤 전고체 배터리 양산… “韓·日이 난제 해결할 것”, https://biz.chosun.com/industry/company/2024/03/06/HGU4XI233JBSBBLHJDIXRIWUE4/
105. CATL은 앞서고, 한국은 탐색 중…전고체 주도권 경쟁 - IT조선, https://it.chosun.com/news/articleView.html?idxno=2023092146531
106. [손수석의 통상이야기] 글로벌기업들의 ‘전고체’ 배터리 기술개발 현황 …, https://www.idaegu.co.kr/news/articleView.html?idxno=436289
107. 솔리드파워, 전고체 배터리 시장 선도… 팹리스 라이선싱 전략으로 글로벌 확장 - 시사매거진, https://www.sisamagazine.co.kr/news/articleView.html?idxno=517853
108. 美 솔리드파워, 충주에 전고체 배터리 라인 구축 - Daum, https://v.daum.net/v/20250611163107994
109. CATL, 전고체 배터리 시험 생산 돌입…2027년 소량 생산 목표 - 다나와 자동차, https://auto.danawa.com/news//?Tab=N1&Stab=all&Brand=&Model=&HeadText=&NewsGroup=&SearchKey=press&SearchWord=%EA%B8%80%EB%A1%9C%EB%B2%8C%EC%98%A4%ED%86%A0%EB%89%B4%EC%8A%A4&Punit=10&useOldData=&Page=0&Work=detail&no=5685952
110. 中 CATL “2027년 전고체배터리 소량 생산” - 지디넷코리아, https://zdnet.co.kr/view/?no=20240429081742
111. 중국 CATL 전고체 배터리 생산 더 가까워져, 삼성SDI 토요타에 우위 자신 - 비즈니스포스트, https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=371945
112. [K배터리③]LG에너지솔루션, 신중한 행보로 ‘전고체도 1위’ 집중 - 스트레이트뉴스, https://www.straightnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=282623
113. <2025 > 전고체전지 전해질 및 제조기술 최신 현황과 전망 - SNE리서치, https://www.sneresearch.com/kr/business/report_view/212/page/0
114. Solid-State Batteries Will Create a $6 Billion Market in 2030 | IDTechEx Research Article, https://www.idtechex.com/de/research-article/solid-state-batteries-will-create-a-6-billion-market-in-2030/21315
115. Solid-State Battery Market Will Grow to $8 Billion by 2031 | IDTechEx Research Article, https://www.idtechex.com/de/research-article/solid-state-battery-market-will-grow-to-8-billion-by-2031/24051
116. Solid-State Batteries: US$9B Market Opportunity by 2035 | IDTechEx …, https://www.idtechex.com/en/research-article/solid-state-batteries-us-9b-market-opportunity-by-2035/32670
117. Solid-State Batteries: $9 Billion Market Potential by 2035 | IDTechEx Research Article, https://www.idtechex.com/en/research-article/solid-state-batteries-9-billion-market-potential-by-2035/33377
118. 리튬메탈 전고체 배터리 가격 10년 뒤 60% 하락 전망 - 지디넷코리아, https://zdnet.co.kr/view/?no=20250407100849
119. 전고체 배터리 상용화 이르면 2025년, ‘2030년에 점유율 10%’ 전망도, https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=324720
120. China embraces next-gen solid-state battery revolution with tech …, http://english.scio.gov.cn/m/in-depth/2025-04/21/content_117835151.html
121. ESG ISSUE 전고체 배터리 전기차 2027년에 볼 수 있다 - 테크 포커스, https://www.techfocus.kr/esg_tech/9
122. 전고체 배터리의 대중화, 해결해야 할 과제는 무엇인가? - 다나와 자동차, https://auto.danawa.com/news/?search_key=press&search_word=%25EC%2599%25BC%25EC%2586%2590%25EC%259E%25A1%25EC%259D%25B4&Tab=N1&Work=detail&no=5750219
123. 전고체 배터리가 전기차 시장 성장 늦출 가능성, “소비자 기대감에 구매 미뤄” - 비즈니스포스트, https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=403834
124. 전력 저장 장치(ESS) 최신 연구 동향 - 대한기계학회, http://ksme.or.kr/Newsletter/202001/data/2.%ED%85%8C%EB%A7%88%EA%B8%B0%ED%9A%8D.pdf
125. ESS를 활용한 안정화 기술 방안, https://www.keei.re.kr/keei/download/seminar/141023/II141023_a02.pdf
126. 하늘을 나는 배터리, ’UAM용 배터리’의 모든 것, https://inside.lgensol.com/2025/06/every-thing-about-uam-batteries/
127. 2025년 상용화 된다는 도심항공모빌리티 UAM, 가벼운 ‘리튬황 배터리’ 탑재될까?, https://www.greened.kr/news/articleView.html?idxno=291682
128. [컨콜] 삼성SDI, 올해 일부 ‘전고체’ 마더 라인 구축…로봇·UAM으로 응용처 확대, https://www.ebn.co.kr/news/articleView.html?idxno=1660682