리튬이온 배터리 기술 및 산업 동향 (2025-09-30)

1. 현대 사회의 동력, 리튬이온 배터리

1.1 기술의 중요성 및 역사적 발전 과정

현대 사회는 모든 사물이 배터리로 움직이는 ‘사물배터리(BoT, Battery of Things)’ 시대로 진입하고 있다.1 스마트폰, 노트북과 같은 휴대용 전자기기에서부터 전기자동차(EV), 대규모 에너지 저장 장치(ESS)에 이르기까지, 배터리는 더 이상 단순한 부품이 아닌 산업의 패러다임을 바꾸는 핵심 동력으로 자리 잡았다. 이러한 변혁의 중심에 리튬이온 배터리가 있다. 기존의 납 축전지나 니켈-카드뮴 전지와 비교하여 월등히 높은 에너지 밀도와 긴 수명, 가벼운 무게라는 특성 덕분에 리튬이온 배터리는 2차 전지 시장의 주류 기술로 빠르게 부상하였다.2 동일한 부피에서 납 축전지 대비 10배의 에너지를 저장할 수 있고, 무게는 5배 가벼우며, 3.6V의 높은 기전력을 가져 단일 셀만으로도 대부분의 휴대용 제품을 구동할 수 있다는 점은 기술적 우위를 명확히 보여준다.3

리튬이온 배터리의 역사는 1970년대 미국 빙엄턴 대학교의 스탠리 휘팅엄 교수가 이황화티탄을 양극으로, 금속 리튬을 음극으로 사용하는 개념을 처음 제안하면서 시작되었다.5 그러나 당시의 금속 리튬 음극은 충·방전을 반복할수록 덴드라이트(Dendrite)가 형성되어 분리막을 훼손하고 화재를 유발하는 등 심각한 안전성 문제를 안고 있었다. 이 문제를 해결하고 상용화의 길을 연 것은 1980년대 존 구디너프 연구팀이 개발한 새로운 양극재와 벨 연구소에서 개발한 흑연 음극이었다. 금속 리튬 대신 리튬 이온을 흑연 층 사이에 안정적으로 저장하는 방식을 채택함으로써 안전성을 획기적으로 개선한 것이다. 이러한 기술적 진보를 바탕으로 1991년, 일본의 소니(Sony)가 세계 최초로 리튬이온 배터리를 상용화하는 데 성공하며 가전제품 분야에 혁명을 일으켰다.5 이후 망간 스피넬 양극재 등 다양한 소재 개발이 이어지며 리튬이온 배터리는 지속적으로 성능을 개선해왔고, 오늘날 모바일 혁명과 전기차 시대를 이끄는 기반 기술이 되었다.

1.2 보고서의 구조와 전개 방향

본 보고서는 현대 기술 사회의 심장과도 같은 리튬이온 배터리의 모든 것을 체계적이고 심층적으로 분석하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 보고서는 다음과 같은 구조로 전개된다.

먼저, 리튬이온 배터리가 어떻게 전기를 저장하고 방출하는지에 대한 근본적인 전기화학적 작동 원리와 이를 구성하는 4대 핵심 요소(양극, 음극, 전해질, 분리막)의 기능과 소재를 상세히 분석한다. 다음으로, 양극재의 화학적 조성에 따라 LCO, LFP, NMC, NCA 등으로 나뉘는 다양한 리튬이온 배터리의 종류별 특성과 장단점을 비교하여 각 기술의 시장 포지셔닝을 명확히 한다. 이어, 원재료가 하나의 완성된 배터리 셀로 탄생하기까지의 복잡하고 정밀한 제조 공정을 전극, 조립, 활성화, 팩 공정의 4단계로 나누어 심도 있게 탐구한다.

이를 바탕으로 전기차와 ESS를 중심으로 한 주요 응용 분야와 폭발적으로 성장하는 글로벌 시장의 최신 동향 및 주요 기업들의 경쟁 구도를 살펴본다. 나아가, 배터리 산업의 근간을 이루는 핵심 광물의 글로벌 공급망 구조를 분석하고, 자원 편재성과 특정 국가의 공정 독점이 야기하는 지정학적 리스크를 진단한다. 또한, ’친환경 기술’의 이면에 숨겨진 환경 및 사회적 문제를 조명하고, 이를 해결하기 위한 폐배터리 재활용 기술의 현황과 과제를 다룬다. 마지막으로, 현재의 리튬이온 배터리가 가진 한계를 극복할 대안으로 주목받는 전고체 배터리와 리튬-황 배터리 등 차세대 기술의 미래 전망을 제시하며 보고서를 마무리한다.

이러한 다각적 접근을 통해 본 보고서는 리튬이온 배터리 기술의 과학적 원리부터 산업 생태계의 복잡한 역학 관계, 그리고 미래 기술의 방향성까지 아우르는 통찰력 있는 종합 분석을 제공하고자 한다.

2. 작동 원리 및 핵심 구성 요소

리튬이온 배터리의 성능과 특성은 그 내부를 구성하는 소재와 이들 간의 전기화학적 상호작용에 의해 결정된다. 배터리의 구동 원리를 이해하는 것은 기술의 본질을 파악하는 첫걸음이다.

2.1 전기화학적 원리: 충전과 방전 메커니즘

리튬이온 배터리는 리튬 이온(Li+)이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성하고 저장하는 장치다.2 이 과정은 크게 방전과 충전으로 나뉜다.

• 방전 (Discharge): 배터리를 사용하여 전기를 생산하는 과정으로, 이는 자발적인 화학 반응이다.6 충전된 상태에서는 음극(Anode)의 흑연과 같은 층상 구조 내에 다량의 리튬 이온이 저장되어 있다. 방전이 시작되면, 음극에 있던 리튬 원자는 리튬 이온(
  Li+)과 전자(e−)로 분리된다. 이때 리튬 이온은 전해질을 통해 양극(Cathode)으로 이동하고, 전자(e−)는 외부 회로(도선)를 따라 이동하며 전류를 발생시킨다. 이 전자의 흐름이 우리가 사용하는 전기에너지다. 양극에 도달한 리튬 이온은 외부 회로를 통해 온 전자와 다시 결합하여 양극 활물질 구조 내에 자리 잡는다. 이 과정에서 전자를 잃은 음극에서는 산화(Oxidation) 반응이, 전자를 얻은 양극에서는 환원(Reduction) 반응이 일어난다.6
• 충전 (Charge): 방전의 역반응으로, 외부에서 전기에너지를 공급하여 배터리 내 화학 물질을 원래 상태로 되돌리는 비자발적 화학 반응이다.6 충전기 등 외부 전원을 연결하면, 양극에 있던 리튬 화합물이 리튬 이온(
  Li+)과 전자(e−)로 분리된다. 리튬 이온은 다시 전해질을 통해 음극으로 이동하여 흑연 층 사이에 삽입(intercalation)되어 저장된다. 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 이동하여 음극 활물질에 공급된다. 이 과정에서는 양극에서 산화 반응이, 음극에서 환원 반응이 일어나며, 모든 리튬 이온이 음극으로 이동하면 충전이 완료된다.6

2.2 4대 핵심 구성 요소의 기능과 소재

리튬이온 배터리는 상호 유기적으로 작동하는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막의 4대 핵심 요소로 구성된다.2 이 네 가지 요소의 소재와 구조, 그리고 이들 간의 균형이 배터리의 핵심 성능인 용량, 전압, 수명, 안전성을 결정한다.

2.2.1 양극(Cathode): 배터리 용량과 전압의 결정 인자

양극은 배터리의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소로, 방전 시에는 리튬 이온을 받아들이고 충전 시에는 리튬 이온을 공급하는 역할을 한다.8 어떤 양극 활물질을 사용하느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다.2 활물질 내에 리튬을 많이 포함할수록 더 많은 이온을 저장하고 방출할 수 있어 용량이 커진다.

또한, 배터리의 전압(기전력)은 양극과 음극의 전위(전기적 위치 에너지) 차이에 의해 결정된다.7 음극으로 주로 사용되는 흑연의 전위는 비교적 일정하므로, 결국 어떤 양극재를 사용하여 이 전위차를 극대화하느냐가 고전압 배터리 개발의 핵심이 된다. 이것이 배터리 연구개발이 양극재 소재 혁신에 집중되는 근본적인 이유다.

리튬은 원소 상태에서 반응성이 매우 커 불안정하기 때문에, 양극 활물질로는 리튬과 산소가 결합한 안정한 형태의 리튬 산화물이 사용된다.2 대표적인 양극재인 리튬코발트산화물(LCO)은 리튬 이온이 안정적으로 자리 잡을 수 있는 층상 구조를 가지고 있다.6 물리적으로 양극은 얇은 알루미늄(Al) 박막 기재 위에, 실제 전극 반응에 관여하는

활물질, 활물질의 낮은 전도성을 보완하는 도전재(주로 카본블랙), 그리고 이 모든 재료를 알루미늄 기재에 단단히 고정시키는 접착제 역할의 바인더가 혼합된 합제(slurry)가 코팅된 형태로 만들어진다.7

2.2.2 음극(Anode): 리튬 이온 저장소의 역할

음극은 충전 시 양극에서 이동해 온 리튬 이온을 안정적으로 저장하는 ’집’과 같은 역할을 하며, 방전 시에는 저장했던 리튬 이온을 방출하면서 전자를 외부 회로로 내보낸다.7 음극 역시 얇은 구리(Cu) 박막 기재 위에 활물질, 도전재, 바인더가 코팅된 구조를 가진다.7

음극 활물질이 갖춰야 할 조건은 까다롭다. 구조적으로 안정하여 반복적인 충·방전에도 형태가 변하지 않아야 하고, 전해질과 불필요한 화학 반응을 일으키지 않아야 하며, 많은 양의 리튬 이온을 저장할 수 있어야 한다. 또한 경제성도 중요하다. 이러한 조건을 가장 잘 만족시키는 소재가 바로 **흑연(Graphite)**이다.7 흑연은 양극재와 마찬가지로 리튬 이온이 층 사이로 삽입되고 빠져나오기 용이한 층상 구조를 가지고 있어 안정적인 충·방전이 가능하다.6

최근에는 흑연보다 10배 이상 높은 이론 용량을 가진 실리콘(Si)을 음극재로 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전 시 리튬 이온을 저장하면서 부피가 3~4배 팽창하고 수축하는 문제가 있어, 배터리의 수명을 단축시키는 한계를 가지고 있다. 이 부피 팽창 문제를 제어하는 것이 실리콘 음극재 상용화의 핵심 과제다.9

2.2.3 전해질(Electrolyte): 이온 이동의 통로

전해질은 양극과 음극 사이를 채우고 있는 물질로, 오직 리튬 이온만이 이동할 수 있는 통로 역할을 수행한다.8 전해질은 이온은 잘 통과시키되, 전자는 절대로 통과시키지 않아 전자가 반드시 외부 회로를 통해 이동하도록 만들어야 한다.2

현재 가장 널리 사용되는 것은 리튬 염(LiPF₆ 등)을 유기 용매에 녹인 액체 전해질이다.8 액체 전해질은 높은 이온 전도도를 가지고 있어 배터리 성능을 극대화할 수 있지만, 유기 용매의 가연성으로 인해 고온에 노출되거나 외부 충격으로 누액이 발생할 경우 화재나 폭발의 위험이 있다는 단점이 있다. 이러한 안전성 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 액체 대신 젤 형태의 폴리머나 고체 세라믹 소재를 사용하는 고체 전해질에 대한 연구가 차세대 배터리 기술의 핵심 분야로 활발히 진행되고 있다.2

2.2.4 분리막(Separator): 안전성의 핵심

분리막은 양극과 음극이 서로 직접 접촉하여 전기적 단락(쇼트)이 발생하는 것을 막는 물리적인 장벽이다.6 동시에 내부에는 수많은 미세한 구멍(기공)이 있어, 이 구멍을 통해 리튬 이온이 자유롭게 양극과 음극 사이를 오갈 수 있도록 해야 한다. 즉, 전자는 차단하고 이온만 통과시키는 ’선택적 투과성’을 가진 얇은 막이다.

소재로는 주로 절연성이 뛰어난 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP)과 같은 고분자 필름이 사용된다.4 분리막은 배터리의 안전성과 직결되는 매우 중요한 부품이다. 배터리 내부 온도가 비정상적으로 상승할 경우, 분리막의 미세 기공이 녹아 막히면서 리튬 이온의 이동을 차단하여 배터리 작동을 멈추게 하는 ‘셧다운(shutdown)’ 기능을 수행하기도 한다.

이처럼 리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 독립적으로 기능하는 것이 아니라, 하나의 유기적인 시스템으로서 상호작용한다. 예를 들어, 주행거리를 늘리기 위해 양극재의 에너지 밀도를 높이는 하이니켈(High-Nickel) 기술은 필연적으로 소재의 화학적 불안정성을 증가시킨다. 이러한 불안정성은 분리막의 내열성을 강화하거나, 전해질에 특정 첨가제를 넣어 전극 표면을 안정화시키는 등 다른 구성요소의 보완적인 기술 발전을 통해서만 제어될 수 있다. 결국, 배터리 성능의 혁신은 특정 부품 하나의 발전이 아닌, 4대 요소 전체의 성능과 안정성 사이의 최적 균형점을 찾아가는 정교한 시스템 엔지니어링의 결과물이라 할 수 있다.

3. 양극재 화학에 따른 리튬이온 배터리의 종류와 특성 비교 분석

리튬이온 배터리는 양극 활물질로 어떤 리튬 금속 산화물을 사용하느냐에 따라 그 특성이 극명하게 달라진다. 에너지 밀도, 수명, 안전성, 비용이라는 핵심 지표들은 서로 상충하는 관계(trade-off)에 있으며, 이로 인해 각 배터리 화학은 특정 용도에 최적화된 형태로 발전해왔다.

3.1 LCO (리튬코발트산화물, LiCoO2): 휴대용 전자기기의 표준

리튬코발트산화물(LCO)은 1991년 최초로 상용화된 리튬이온 배터리의 양극재로, 높은 에너지 밀도와 우수한 출력을 자랑한다.9 이 특성은 배터리의 소형화와 경량화가 필수적인 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC 등 휴대용 전자기기 시장의 요구와 정확히 부합하여, 오랫동안 이 분야의 표준으로 자리매김했다.

하지만 LCO 배터리는 명확한 한계를 가지고 있다. 주원료인 코발트는 가격이 매우 비싸고, 특정 지역(콩고민주공화국)에 공급이 편중되어 있어 가격 변동성과 공급망 리스크가 크다.10 또한, 충·방전 사이클 수명이 500~1,000회로 비교적 짧고, 구조적 안정성이 낮아 과충전 시 열 폭주(thermal runaway)의 위험이 있다.10 이러한 낮은 열 안정성 때문에 높은 전류를 요구하는 고부하 애플리케이션에는 적합하지 않다.

3.2 LFP (리튬인산철, LiFePO4): 안전성과 수명의 상징

리튬인산철(LFP) 배터리는 안전성을 최우선 가치로 둔 기술이다. 양극재의 인(P)과 산소(O)가 강력한 공유결합을 형성하는 올리빈(Olivine) 구조 덕분에 화학적으로 매우 안정적이다.13 이 구조적 안정성은 LFP 배터리의 열 폭주 시작 온도를 약 270°C까지 높여, 다른 리튬이온 배터리에 비해 화재 및 폭발 위험이 현저히 낮다.10

또한, LFP 배터리는 2,000회 이상의 긴 충·방전 수명을 자랑하며, 일부 제품은 100% 방전 심도(DOD)를 견딜 수 있을 정도로 내구성이 뛰어나다.10 무엇보다 가격이 비싼 코발트를 전혀 사용하지 않고, 풍부한 자원인 철을 기반으로 하므로 원가 경쟁력이 매우 높다.13

반면, LFP 배터리의 가장 큰 단점은 낮은 에너지 밀도(90~120Wh/kg)와 낮은 공칭 전압이다.10 이는 동일한 크기의 배터리에 더 적은 에너지를 저장한다는 의미로, 전기차에 적용 시 주행거리가 짧아지는 결과를 낳는다. 특히 저온 환경(-20°C)에서는 NMC 배터리가 용량의 70%를 방출할 수 있는 반면, LFP 배터리는 55% 수준에 그칠 정도로 성능 저하가 심각하다.14 이러한 특성 때문에 LFP 배터리는 높은 에너지 밀도보다는 장기적인 안정성과 경제성이 중요한 에너지 저장 장치(ESS)나, 주행거리가 상대적으로 짧아도 되는 보급형 전기차, 전기 버스 등에 주로 사용된다.15

3.3 NMC (니켈·망간·코발트, LiNiMnCoO2): 에너지 밀도와 안정성의 균형

NMC 배터리는 LCO의 높은 에너지 밀도와 LFP의 안전성 사이에서 최적의 균형점을 찾으려는 시도에서 탄생한 ‘삼원계(Ternary)’ 배터리다. 이 배터리는 세 가지 금속의 장점을 조합한다. 니켈(Ni)은 에너지 밀도를 높이는 역할을 하고, 망간(Mn)은 구조적 안정성을, 코발트(Co)는 망간의 단점을 보완하며 출력을 향상시키는 역할을 한다.10

NMC 배터리는 니켈, 망간, 코발트의 조성 비율을 조절하여 특성을 미세 조정할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 니켈 함량을 높이고 코발트 함량을 줄이는 ‘하이니켈(High-Nickel)’ NMC(예: NCM811, Ni 80%)는 에너지 밀도(150~220Wh/kg)를 극대화하여 전기차의 1회 충전 주행거리를 늘릴 수 있다.9 이 덕분에 NMC는 현재 고성능 전기차 시장의 주류 기술로 자리 잡았다.13 LCO에 비해 가격이 저렴하고 수명이 길며, LFP보다 높은 출력과 에너지 밀도를 제공한다.11

그러나 니켈 함량이 높아질수록 에너지 밀도가 증가하는 만큼 화학적 안정성은 감소하여, LFP에 비해서는 여전히 화재 위험성이 높다는 단점이 있다.13 또한 코발트를 사용하기 때문에 LFP보다는 가격이 비싸다.

3.4 NCA (니켈·코발트·알루미늄, LiNiCoAlO2): 고출력, 고에너지 밀도

NCA 배터리는 NMC와 유사한 삼원계 배터리지만, 망간 대신 알루미늄(Al)을 사용하여 안정성을 보강한 점이 특징이다. NCA는 NMC보다도 높은 니켈 함량을 기반으로 하여 현존하는 상용 리튬이온 배터리 중 가장 높은 수준의 에너지 밀도(200~260Wh/kg)와 출력을 구현할 수 있다.10 이러한 특성 덕분에 강력한 가속 성능과 긴 주행거리를 동시에 요구하는 고성능 프리미엄 전기차(예: 테슬라의 일부 모델)나 고출력이 필요한 전동 공구 등에 주로 채택된다.

하지만 높은 에너지 밀도는 안전성과의 트레이드오프 관계를 가진다. NCA는 NMC보다 열 폭주에 상대적으로 취약하며, 가격 또한 비싸다는 단점이 있다.10

3.5 기타 화학: LMO, LTO의 특성과 활용

• LMO (리튬망간산화물, LiMn2O4): 1983년 구디너프 교수가 발견한 스피넬(Spinel) 구조의 양극재를 사용한다.5 이 3차원 구조는 리튬 이온의 이동이 용이하여 빠른 충전과 높은 출력을 가능하게 하며, 망간을 주원료로 하여 가격이 저렴하고 안정성이 우수하다.5 하지만, 고온에서 망간이 전해질로 용출되어 수명이 짧다는 치명적인 단점이 있다. 이 때문에 단독으로 사용되기보다는, NMC와 혼합하여 비에너지를 높이고 수명을 연장하는 방식으로 일부 전기차(예: 닛산 리프, 쉐보레 볼트)에 활용된다.11
• LTO (리튬티타네이트, Li4Ti5O12): LTO는 양극재가 아닌 음극재로 사용되는 소재다. 기존 흑연 음극 대신 LTO를 사용하면 충·방전 시 부피 변화가 거의 없어 구조적으로 매우 안정하다. 이 덕분에 6,000~10,000회에 달하는 초장수명과 뛰어난 열 안정성, 그리고 급속 충전 성능을 자랑한다.10 하지만 에너지 밀도가 매우 낮고 가격이 비싸다는 단점 때문에, 수명과 안전성이 극도로 중요한 특수 산업용 장비나 일부 상업용 차량 등 제한적인 분야에서 사용된다.

3.6 종합 비교: 용도별 최적 배터리 선택 가이드

이처럼 리튬이온 배터리 기술에는 모든 요구조건을 만족시키는 ‘만능’ 솔루션이 존재하지 않는다. 각 화학 기술은 고유의 장단점을 가지며, 이는 시장이 자연스럽게 용도에 따라 분화되는 결과를 낳았다. ’주행거리’가 최우선인 고성능 전기차 시장은 에너지 밀도가 높은 NMC와 NCA가 주도하고, ’안전성과 비용’이 핵심인 ESS 및 보급형 전기차 시장은 LFP가 지배하는 구조가 형성된 것이다.12

이러한 기술적 특성은 기업의 전략과 시장 구조를 결정하는 핵심 변수로 작용한다. 예를 들어, LFP 기술에 강점을 가진 중국의 CATL은 가격 경쟁력을 무기로 보급형 EV 및 ESS 시장을 공략하는 반면, NMC 기술에 주력해 온 한국의 LG에너지솔루션과 SK온은 고성능 EV 시장에 집중하는 전략을 펼쳐왔다. 결국 미래의 배터리 기술 경쟁은 단일 지표의 성능을 극대화하는 것이 아니라, 각 애플리케이션의 요구사항에 가장 부합하는 최적의 균형점을 찾아내는 방향으로 전개될 것이다.

표 1: 리튬이온 배터리 종류별 핵심 특성 비교

(참고: 위 표의 수치는 일반적인 범위이며, 구체적인 셀 설계 및 제조사에 따라 달라질 수 있다. 10)

4. 제조 공정: 원재료에서 완성 셀까지

리튬이온 배터리 제조는 단순한 조립을 넘어, 나노 단위의 소재 기술과 고도의 정밀 제어 기술이 결합된 복합적인 공정이다. 이는 크게 전극 공정, 조립 공정, 활성화(화성) 공정, 팩 공정의 4단계로 구분되며, 각 단계의 완성도가 최종 배터리의 성능, 수명, 안전성을 좌우한다.18

4.1 전극 공정: 활물질 슬러리 제작에서 전극 재단까지

전극 공정은 배터리의 기본 성능을 결정하는 양극과 음극을 만드는 단계다.

1. 믹싱(Mixing): 첫 단계는 배터리의 핵심 소재인 활물질(양극: 리튬산화물, 음극: 흑연)에 도전재, 바인더를 넣고 용매와 함께 거대한 믹서에서 혼합하여 점성을 가진 반죽 형태의 ’슬러리(Slurry)’를 만드는 것이다.18 슬러리의 각 재료가 얼마나 균일하게 분산되느냐가 전극의 품질을 결정하는 첫 번째 관문이다.
2. 코팅(Coating): 완성된 슬러리를 집전체에 얇고 균일하게 도포하는 공정이다. 양극 슬러리는 알루미늄(Al) 박막에, 음극 슬러리는 구리(Cu) 박막에 코팅된다.20 코팅 두께가 일정하지 않으면 배터리 셀 간 성능 편차가 발생하고 수명이 단축될 수 있으므로, 마이크로미터 단위의 정밀한 제어가 요구된다. 코팅 후에는 100°C 이상의 긴 오븐을 통과시켜 용매를 완전히 건조시킨다.18
3. 압연(Pressing/Rolling): 건조된 전극을 두 개의 거대한 롤러(Roll) 사이로 통과시켜 강한 압력으로 납작하게 누르는 공정이다.20 이 과정을 통해 전극의 두께를 줄이고 내부 기공을 없애 활물질의 밀도를 높인다. 전극 밀도가 높아지면 동일한 부피에 더 많은 활물질을 담을 수 있어 배터리의 에너지 밀도가 향상된다. 또한, 활물질 입자 간의 결착력과 집전체와의 부착력을 높여 배터리의 구조적 안정성과 전기적 특성을 개선하는 핵심적인 역할을 한다.18
4. 슬리팅 & 노칭(Slitting & Notching): 압연까지 마친 거대한 롤 형태의 전극(마더롤, Mother Roll)을 최종 배터리 규격에 맞게 자르는 공정이다. 먼저 ‘슬리팅’ 공정에서 전극을 세로 방향으로 길게 자른다. 그 후 ‘노칭’ 공정에서는 전극의 특정 부분을 잘라내어 전류가 흐르는 길인 ’탭(Tab)’을 만든다.18 이 탭은 추후 외부 회로와 연결되는 중요한 부분이다.

4.2 조립 공정: 배터리 형태(원통형, 각형, 파우치형)별 조립 기술

전극 공정에서 만들어진 양극, 음극, 그리고 분리막을 결합하여 배터리의 기본 형태를 만드는 단계다. 조립 방식은 배터리의 형태(원통형, 각형, 파우치형)에 따라 크게 달라진다.21

• 와인딩(Winding) 방식: 원통형 및 각형 배터리에 주로 사용되는 방식으로, 양극, 분리막, 음극, 분리막 순서로 겹쳐진 긴 시트를 김밥처럼 돌돌 말아 ‘젤리롤(Jelly Roll)’ 형태의 조립체를 만든다.21 이 젤리롤을 금속 케이스(Can)에 삽입하고 탭을 용접한 후, 전해질을 주입하고 밀봉하여 완성한다.18 와인딩 방식은 생산 속도가 빠르고 자동화에 유리하다는 장점이 있다.
• 스태킹(Stacking) 방식: 파우치형 배터리에 주로 적용되는 방식으로, 잘라진 단위 전극(양극, 음극)과 분리막을 번갈아 층층이 쌓아 올리는 방식이다.21 이 방식은 배터리 내부의 죽은 공간(dead space)을 최소화하여 공간 효율을 극대화할 수 있으므로 에너지 밀도를 높이는 데 유리하다. 최근에는 분리막을 자르지 않고 지그재그(Z) 형태로 접으면서 그 사이에 양극과 음극을 끼워 넣는 ‘Z-스태킹’ 공법이 주목받고 있다. 이 공법은 전극의 정렬 불량으로 인한 내부 단락 위험을 원천적으로 차단하여 안전성을 크게 향상시킨다.21

조립 공정의 마지막 단계는 전해질 주입과 밀봉이다. 진공 상태에서 셀 내부에 정량의 전해질을 주입하여 전극과 분리막에 충분히 스며들도록 한 후, 외부와 완전히 차단되도록 케이스를 밀봉한다.18

4.3 활성화(화성) 공정: 배터리에 생명을 불어넣는 과정

조립 공정을 마친 배터리는 아직 전기를 생산할 수 없는 ‘반제품’ 상태다. 활성화 공정은 이 배터리에 처음으로 전기를 충·방전하여 전기화학적 특성을 부여하고, 마치 생명을 불어넣는 것처럼 배터리로서의 기능을 활성화시키는 단계다.22 이 공정은 배터리의 최종 성능과 수명, 안전성을 결정짓는 매우 중요한 과정이다.

1. 포메이션(Formation): 최초의 충전 과정에서 음극 활물질(흑연) 표면과 전해질이 반응하여 얇고 안정적인 보호막을 형성하는데, 이를 **‘고체 전해질 계면(SEI, Solid Electrolyte Interphase)’**이라고 한다.6 이 SEI층은 리튬 이온만 선택적으로 통과시키고 전자의 이동이나 전해질의 추가적인 분해 반응은 막는, 제2의 분리막과 같은 역할을 한다. 안정적이고 균일한 SEI층이 형성되어야 배터리가 긴 수명 동안 안정적으로 작동할 수 있다.18
2. 에이징(Aging): SEI층 형성 후, 배터리를 일정 온도와 습도 환경에서 일정 시간(수 시간에서 수 일) 동안 보관하는 ‘숙성’ 과정이다.22 이 과정을 통해 주입된 전해질이 전극 내부 깊숙한 곳까지 고르게 확산되고, 형성된 SEI층이 더욱 안정화된다.23
3. 디개싱(Degassing): 활성화 과정, 특히 SEI층이 형성될 때 필연적으로 소량의 가스가 발생한다. 이 가스는 배터리 성능을 저하시키고 내부 압력을 높여 위험을 초래할 수 있다. ’디개싱’은 이 불필요한 가스를 외부로 배출시키는 공정으로, 주로 유연한 파우치형 배터리에서 중요하다.21
4. 등급 및 선별: 여러 차례의 충·방전 테스트를 통해 각 배터리 셀의 최종 용량, 내부 저항, 전압 등을 정밀하게 측정한다. 이 데이터를 바탕으로 셀의 등급을 분류하고, 기준 미달의 불량품을 선별하여 최종 제품의 품질 균일성을 확보한다.18

4.4 팩 공정: 셀에서 모듈, 팩으로의 통합과 BMS

활성화 공정까지 마친 개별 배터리 ’셀(Cell)’은 최종 제품에 바로 사용되기 어렵다. 특히 전기차와 같이 높은 전압과 용량이 필요한 경우, 수십에서 수천 개의 셀을 모아 하나의 거대한 배터리 시스템으로 만들어야 한다.

이 과정은 먼저 여러 개의 셀을 직렬 또는 병렬로 묶어 프레임에 넣은 ’모듈(Module)’을 만든다. 그 후, 여러 개의 모듈을 다시 모으고, 배터리의 상태를 감시하고 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System), 냉각 장치, 전력 제어 장치 등과 함께 하나의 큰 케이스에 조립하여 최종 제품인 ’팩(Pack)’을 완성한다.18 BMS는 각 셀의 전압, 전류, 온도를 실시간으로 모니터링하여 과충전, 과방전, 과열 등을 방지하고, 모든 셀의 상태를 균일하게 유지(셀 밸런싱)하여 배터리 팩 전체의 성능과 수명, 안전을 보장하는 핵심적인 전자 제어 장치다.18

이처럼 배터리 제조는 소재의 화학적 특성부터 정밀한 기계 공학, 전자 제어 기술까지 아우르는 복합적인 ’장치 산업’이다. 각 공정의 미세한 오차나 불균일성이 누적되어 최종 제품의 성능 저하와 안전 문제로 직결될 수 있다. 따라서 우수한 소재 기술뿐만 아니라, 이를 대규모로 안정적으로 생산할 수 있는 고도의 공정 기술과 품질 관리 노하우가 배터리 기업의 핵심 경쟁력을 좌우하는 결정적인 요소가 된다. 이는 후발 주자들이 쉽게 시장에 진입하지 못하게 하는 높은 기술적 장벽으로 작용한다.

5. 주요 응용 분야 및 시장 동향

리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 바탕으로 다양한 산업 분야에 혁신을 가져오고 있으며, 그 시장 규모는 기하급수적으로 팽창하고 있다. 특히 전기자동차(EV)와 에너지 저장 장치(ESS)는 리튬이온 배터리 시장의 성장을 견인하는 양대 축이다.

5.1 전기자동차(EV): 모빌리티 혁명의 중심

전기자동차는 리튬이온 배터리의 가장 크고 중요한 수요처다. 전 세계적인 탄소 중립 정책과 내연기관차 규제 강화에 힘입어 전기차 시장이 폭발적으로 성장하면서, 배터리 수요 역시 급증하고 있다.24 2023년 한 해에만 전 세계 전기차 판매량은 전년 대비 35% 증가했다.24

EV용 배터리는 매우 까다로운 성능을 요구한다. 한 번 충전으로 최대한 멀리 가기 위한 높은 에너지 밀도(주행거리), 강력한 가속 성능을 위한 높은 출력, 탑승자의 안전을 보장하기 위한 최고 수준의 안전성, 그리고 10년 이상 사용 가능한 긴 수명을 동시에 만족해야 한다.16 이 때문에 EV 시장에서는 에너지 밀도가 높은 NMC, NCA 배터리가 주류를 이루고 있으며, 최근에는 가격 경쟁력과 안전성을 앞세운 LFP 배터리가 보급형 모델을 중심으로 점유율을 빠르게 확대하고 있다.16

5.2 에너지 저장 장치(ESS): 신재생에너지의 필수 동반자

ESS는 생산된 전력을 저장했다가 필요할 때 공급하는 시스템으로, 리튬이온 배터리 산업에서 전기차 다음으로 가장 큰 성장 잠재력을 가진 시장으로 평가받는다.25 특히 태양광, 풍력과 같이 발전량이 기상 조건에 따라 변동하는 신재생에너지의 간헐성을 보완하고 전력망을 안정적으로 운영하기 위한 필수 설비로 주목받고 있다.1

ESS용 배터리는 EV용 배터리와는 요구 조건이 다소 다르다. 이동하지 않고 고정된 장소에 설치되므로 에너지 밀도보다는 **안전성, 긴 수명, 그리고 경제성(TCO, 총소유비용)**이 더 중요한 고려 요소다.16 이러한 이유로 초기 투자 비용이 저렴하고 수명이 길며 화재 위험이 낮은 LFP 배터리가 ESS 시장에서 이상적인 솔루션으로 각광받고 있다.16 또한, 수명이 다한 전기차 배터리(통상 잔존 수명 70~80% 수준)를 ESS로 재사용(Second Life)하는 방안도 순환 경제와 비용 절감 측면에서 활발하게 연구 및 실증되고 있다.27

최근 전기차 시장이 일시적 수요 정체기, 이른바 ’캐즘(Chasm)’에 진입할 수 있다는 우려가 제기되면서, 많은 배터리 기업들은 새로운 성장 동력으로 ESS 시장에 대한 투자를 확대하고 있다.25 이는 배터리 기업들에게 EV 시장에 편중된 사업 포트폴리오를 다각화하고 안정적인 수익 구조를 창출할 중요한 기회가 되고 있다.

5.3 휴대용 전자기기 및 기타 산업

리튬이온 배터리가 처음 상용화되고 대중화된 시장은 스마트폰, 노트북, 디지털카메라 등 휴대용 전자기기 분야다.15 이 시장은 성숙기에 접어들었지만, 여전히 안정적인 수요를 창출하는 중요한 기반 시장이다.

최근에는 리튬이온 배터리의 적용 범위가 전 산업으로 빠르게 확산되고 있다. 높은 출력이 요구되는 전동 공구, 신뢰성이 중요한 의료 기기, 자동화의 핵심인 물류 로봇, 그리고 차세대 모빌리티로 주목받는 드론과 도심항공교통(UAM)에 이르기까지 그 활용 분야는 무궁무진하다.9

5.4 글로벌 시장 규모, 성장 전망 및 주요 기업 경쟁 구도

글로벌 리튬이온 배터리 시장은 전례 없는 성장세를 보이고 있다. 시장조사기관에 따라 차이는 있으나, 2024년 시장 규모는 약 750억 달러에서 1,070억 달러 사이로 평가되며, 연평균 15%에서 23%에 달하는 높은 성장률을 기록할 것으로 전망된다.24 이러한 추세가 이어진다면 2030년대 초반에는 시장 규모가 3,000억 달러를 훌쩍 넘어 5,700억 달러에 이를 수 있다.24

이러한 성장의 가장 큰 동력은 단연 전기차 시장의 확대이며, 각국 정부의 강력한 친환경 정책과 보조금, 그리고 신재생에너지 보급 확대에 따른 ESS 수요 증가가 이를 뒷받침하고 있다.24

• 지역별 동향: 아시아-태평양 지역은 세계 최대의 배터리 생산 및 소비 시장이다. 특히 중국은 막대한 내수 시장과 정부의 강력한 지원 정책을 바탕으로 글로벌 공급망을 장악하고 있으며, 한국과 일본이 주요 생산국으로 뒤를 잇고 있다. 이 지역은 향후에도 가장 빠른 성장세를 보일 것으로 예상된다.24 한편, 미국과 유럽은 각각 IRA(인플레이션 감축법)와 CRMA(핵심원자재법)와 같은 정책을 통해 자국 내 배터리 생산 기반을 확충하고 중국에 대한 의존도를 낮추기 위한 노력을 가속화하고 있다.24
• 주요 기업 경쟁 구도: 글로벌 리튬이온 배터리 시장은 소수의 선도 기업들이 과점하는 형태를 띤다. 중국의 CATL은 LFP와 NMC 기술을 모두 아우르며 압도적인 점유율로 1위를 굳건히 지키고 있다. 같은 중국 기업인 BYD는 자체 전기차 생산과 배터리 외부 공급을 병행하며 2위 자리를 놓고 치열하게 경쟁하고 있다.31 한국의
  LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온은 고성능 NMC 배터리 기술을 바탕으로 글로벌 완성차 업체들과의 파트너십을 강화하며 시장을 공략하고 있으며, 일본의 파나소닉은 테슬라와의 오랜 협력 관계를 기반으로 한 주요 공급업체로 자리매김하고 있다.24

6. 글로벌 공급망: 자원 확보 경쟁과 지정학적 리스크

리튬이온 배터리 산업의 폭발적인 성장은 그 이면에 핵심 원자재 확보를 둘러싼 치열한 경쟁과 지정학적 리스크라는 그림자를 드리우고 있다. 배터리 공급망은 특정 지역과 국가에 대한 의존도가 매우 높은 취약한 구조를 가지고 있으며, 이는 글로벌 경제 안보의 핵심 과제로 부상했다.

6.1 핵심 광물(리튬, 코발트, 니켈, 흑연)의 매장 및 생산 현황

배터리의 성능과 가격을 좌우하는 핵심 광물은 지구상에 고르게 분포되어 있지 않다. 생산과 매장이 특정 소수 국가에 집중된 ’자원의 편재성’은 공급망의 근본적인 취약점이다.35

• 리튬: ’하얀 석유’로 불리는 리튬의 확인된 매장량은 칠레와 호주에 집중되어 있다. 그러나 실제 생산량은 2021년 기준 호주(52.5%), 칠레(24.8%), 중국(13.4%) 단 3개국이 전 세계 공급의 약 90%를 차지하는 과점 구조다.35
• 코발트: 코발트는 공급망 리스크가 가장 심각한 광물이다. 아프리카의 콩고민주공화국(DRC)이 전 세계 매장량의 약 절반, 생산량의 70% 이상을 차지하는 사실상의 독점 공급자다.35 이는 콩고의 정치적 불안이나 정책 변화가 전 세계 코발트 가격과 공급에 즉각적인 충격을 줄 수 있음을 의미한다.
• 니켈: 고성능 NMC, NCA 배터리의 핵심 원료인 니켈은 인도네시아가 전 세계 생산량의 30% 이상을 점유하며 최대 생산국으로 부상했다.35
• 흑연: 음극재의 주원료인 천연 흑연은 중국의 영향력이 절대적이다. 중국은 전 세계 천연 흑연 생산량의 70~80%를 차지하며, 시장을 사실상 독점하고 있다.38 한국의 경우 천연 흑연 수입액의 약 90%를 중국에 의존하고 있어 공급망이 매우 취약하다.39

6.2 정·제련 공정의 편중과 중국의 역할

광물 채굴 단계보다 더 심각한 공급망 병목 현상은 채굴된 광물을 배터리에 사용할 수 있는 고순도 화합물로 가공하는 정·제련(Refining & Processing) 단계에 존재한다. 이 단계는 고도의 기술력, 막대한 자본 투자, 그리고 상대적으로 느슨한 환경 규제를 필요로 하는데, 이 모든 조건을 충족하며 시장을 장악한 국가가 바로 중국이다.35

결과적으로, 호주나 칠레에서 채굴된 리튬 정광, 콩고에서 채굴된 코발트 원광은 대부분 중국으로 운송되어 정·제련 공정을 거친다.36 2022년 기준, 중국은 전 세계 정제 리튬의 58%, 정제 코발트의 65%, 그리고 천연 흑연 가공품의 거의 100%를 생산하며 배터리 소재 공급망의 심장부 역할을 하고 있다.36 나아가 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등 4대 핵심 소재 생산에서도 50~80%에 달하는 압도적인 점유율을 보인다.36

이러한 구조는 배터리 공급망이 ’자원의 지리적 편재성’과 ’가공 공정의 기술적 독점’이라는 이중 리스크에 노출되어 있음을 의미한다. 즉, 원자재 가격 변동 리스크를 넘어, 중국의 정책 변화나 무역 분쟁이 전 세계 배터리 및 전기차 산업 전체를 마비시킬 수 있는 심각한 지정학적 취약점으로 작용하는 것이다.

6.3 지정학적 변수: IRA, CRMA가 공급망에 미치는 영향

이러한 중국 중심의 공급망 리스크에 대응하기 위해 미국과 유럽연합(EU)은 강력한 산업 정책을 통해 공급망 재편에 나서고 있다.

• 미국 인플레이션 감축법 (IRA): IRA는 북미에서 최종 조립된 전기차에 대해 세액공제 혜택을 제공하되, 배터리 부품과 핵심 광물이 일정 비율 이상 미국 또는 미국과 자유무역협정(FTA)을 체결한 국가에서 조달되어야 한다는 조건을 부과한다. 특히 ‘해외 우려 기업(FEOC)’, 즉 사실상 중국 기업이 생산한 부품이나 광물을 사용한 배터리에는 보조금을 지급하지 않는다.41 이는 글로벌 배터리 및 완성차 기업들에게 탈(脫)중국 공급망을 구축하고 북미 지역에 생산 시설을 건설하도록 강력하게 유도하는 정책이다.
• 유럽연합 핵심원자재법 (CRMA): CRMA는 EU 역내에서 소비되는 핵심 원자재의 특정 국가(중국)에 대한 의존도를 65% 이하로 낮추는 것을 목표로 한다. 이를 위해 역내 채굴, 가공, 재활용 목표치를 설정하고, 관련 프로젝트의 인허가 절차를 간소화하는 등 EU 중심의 독자적인 공급망 구축을 추진하고 있다.41

이러한 정책들은 한국 배터리 기업들에게 양날의 검으로 작용한다. 한편으로는 중국 기업을 배제하는 보호무역 장벽 덕분에 북미와 유럽 시장에서 반사이익을 얻고 점유율을 확대할 기회가 열린다. 하지만 다른 한편으로는, 탈중국 공급망을 단기간에 구축하기 위한 막대한 투자 비용과 기술적 과제를 떠안게 되며, 미국 대선 결과에 따라 IRA 정책이 폐지될 수 있는 정치적 불확실성에 직접적으로 노출되는 새로운 리스크를 감수해야 한다.43 결국, 미래 배터리 산업의 경쟁력은 기술력뿐만 아니라, 급변하는 지정학적 환경에 대응하여 안정적이고 다변화된 공급망을 구축하는 능력에 의해 좌우될 것이다.

7. 지속가능성 과제: 환경, 사회적 문제와 재활용 기술

리튬이온 배터리는 전기차와 신재생에너지를 통해 탄소 중립 사회로의 전환을 이끄는 ’친환경 기술’로 인식된다. 그러나 그 이면에는 원료 채굴 과정에서의 환경 파괴와 인권 문제, 그리고 사용 후 폐배터리 처리라는 심각한 지속가능성 과제가 존재한다.

7.1 ’하얀 석유’의 그늘: 광물 채굴의 환경 및 사회적 영향

‘친환경’ 전기차의 심장을 만드는 과정은 역설적으로 지구 환경과 지역 사회에 깊은 상처를 남기고 있다.45

• 환경 문제: 리튬의 주요 생산지인 칠레 아타카마 사막과 같은 건조 지역에서는 소금물을 증발시켜 리튬을 추출하는 과정에서 막대한 양의 담수를 소비한다. 이는 지역의 사막화를 가속화하고, 농업용수와 생활용수 부족을 심화시키며 지역 생태계를 파괴한다. 또한, 광물 채굴 과정에서 발생하는 폐기물과 중금속, 화학물질이 토양과 지하수를 오염시키는 문제도 심각하다.47 경암형 리튬 광산의 경우, 채굴과 정련 과정에서 막대한 에너지를 소비하여 탄소 배출량이 염수형보다 3배나 높다는 문제도 있다.47
• 사회적 문제: 지속가능성 문제의 정점에는 코발트가 있다. 전 세계 코발트 공급의 70% 이상을 차지하는 콩고민주공화국에서는 수많은 주민이 안전장비도 없이 맨손으로 땅을 파는 열악한 환경에서 코발트를 채굴하고 있으며, 이 과정에서 아동 노동 착취와 인권 유린이 공공연하게 자행되고 있다.37 이러한 ‘블러드 코발트(Blood Cobalt)’ 문제는 배터리 산업 전체의 윤리적 딜레마로 남아있다.

이러한 문제에 대응하기 위해, 글로벌 기업들은 공급망 전반에 걸쳐 ESG(환경·사회·지배구조) 경영을 강화하는 추세다. 특히 분쟁 지역의 자금원이 되거나 인권 침해, 환경 파괴 없이 채굴된 ’책임광물(Responsible Minerals)’을 조달하기 위해 공급망 실사를 의무화하고, 문제가 있는 공급업체와의 거래를 중단하는 등 적극적인 노력을 기울이고 있다.49

7.2 폐배터리 재활용 기술 동향: 건식, 습식, 직접 재활용

기하급수적으로 증가하는 폐배터리는 잠재적인 환경 재앙인 동시에, 핵심 광물을 다시 확보할 수 있는 ’도시 광산(Urban Mining)’이라는 기회를 제공한다. 폐배터리 재활용은 환경오염을 방지하고, 핵심 원료를 안정적으로 확보하여 공급망 리스크를 줄이는 순환 경제의 핵심 고리다.49 재활용 기술은 크게 건식, 습식, 직접 재활용 방식으로 나뉜다.

• 건식 제련 (Pyrometallurgy): 폐배터리를 잘게 부순 후 1,000°C 이상의 고온 용광로에 넣어 녹이는 방식이다. 이 과정에서 니켈, 코발트, 구리 등은 녹아 합금 형태로 회수되고, 리튬, 알루미늄, 망간 등은 슬래그(찌꺼기)에 남는다. 공정이 비교적 단순하고 다양한 종류의 배터리를 한 번에 처리할 수 있다는 장점이 있지만, 막대한 에너지를 소비하여 탄소 배출량이 많고, 리튬과 같은 경금속의 회수율이 낮다는 치명적인 단점이 있다.50
• 습식 제련 (Hydrometallurgy): 현재 가장 널리 사용되는 주류 기술이다. 폐배터리를 방전시킨 후 물리적으로 파쇄하여 양극재와 음극재 가루가 섞인 ’블랙 파우더(Black Powder)’를 만든다. 이 블랙 파우더를 황산과 같은 강력한 화학 용액에 녹여 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등을 이온 형태로 추출한다. 이후 용매 추출, 침전 등의 복잡한 화학 공정을 거쳐 각 금속을 고순도로 분리·회수한다.50 건식 제련에 비해 에너지 소비가 적고 리튬을 포함한 대부분의 유가 금속을 높은 효율로 회수할 수 있다는 장점이 있으나, 공정이 복잡하고 다량의 화학 폐수가 발생한다는 단점이 있다.52
• 직접 재활용 (Direct Recycling): 가장 이상적인 미래 기술로 평가받는다. 폐배터리에서 양극재를 물리적으로 분리한 후, 화학적 구조를 파괴하지 않고 결정 구조의 손상된 부분만 복원하거나 부족한 리튬을 보충하여 그대로 새로운 배터리의 양극재로 다시 사용하는 방식이다.53 공정이 가장 친환경적이고 경제적이지만, 폐배터리의 종류와 노화 상태가 제각각이라 표준화된 공정을 개발하기 어려워 아직은 연구 초기 단계에 머물러 있다.52

7.3 순환 경제 구축을 위한 과제와 전망

폐배터리 재활용을 통한 순환 경제 구축은 선택이 아닌 필수다. 하지만 상용화를 위해서는 여러 과제를 해결해야 한다.

• 기술적 과제: 제조사마다 배터리 팩의 디자인, 셀의 형태, 화학 조성이 모두 달라 표준화된 해체 및 재활용 공정을 적용하기 어렵다.53
• 경제적 과제: 전국에 흩어져 있는 폐배터리를 안전하게 수거, 보관, 운송하는 데 막대한 물류비용이 발생하여 재활용의 경제성을 확보하기가 쉽지 않다.54
• 제도적 과제: 폐배터리의 안전한 수거 및 처리 체계를 구축하고, 재활용 원료 사용을 의무화하며, 재활용 제품의 성능과 안전성을 인증하는 표준화된 제도를 마련하는 것이 시급하다.50

이러한 과제에도 불구하고, 배터리 재활용은 단순한 폐기물 처리를 넘어, 핵심 광물을 국내에서 조달하는 ’자원 안보’의 차원에서 그 전략적 가치가 매우 크다. 수입에 의존하던 핵심 원자재를 재활용을 통해 내재화함으로써 공급망 리스크를 완화하고 산업 경쟁력을 강화할 수 있기 때문이다. EU의 CRMA가 재활용 원료 사용 목표치를 법적으로 규정한 것은 이러한 전략적 중요성을 명확히 보여준다.

8. 미래를 향한 도약: 차세대 배터리 기술 동향

현재의 리튬이온 배터리는 에너지 밀도와 안전성 측면에서 점차 기술적 한계에 가까워지고 있다. 이를 극복하고 배터리 기술을 한 차원 더 높은 수준으로 끌어올리기 위해, 전 세계 연구기관과 기업들은 ’게임 체인저’가 될 차세대 배터리 개발에 사활을 걸고 있다. 그중 가장 주목받는 기술은 전고체 배터리와 리튬-황 배터리다.

8.1 전고체 배터리: ’꿈의 배터리’를 향한 기술적 난제 극복 노력

전고체 배터리는 이름 그대로 배터리의 4대 요소 중 액체 상태인 전해질을 고체로 대체한 차세대 배터리다.55 이 단순한 변화가 가져오는 잠재력은 막대하다.

• 원리 및 장점: 가연성의 액체 전해질이 불연성의 고체 전해질로 바뀌면서, 배터리의 가장 큰 문제였던 화재 및 폭발 위험이 원천적으로 사라진다. 안전성이 획기적으로 향상됨에 따라, 기존 배터리에서 안전을 위해 추가했던 각종 보호회로와 냉각 장치를 줄이거나 없앨 수 있다. 또한, 고체 전해질이 분리막의 역할까지 겸할 수 있어 배터리 내부 공간 활용도가 높아진다.55 이렇게 확보된 공간에 더 많은 활물질을 채워 넣어 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다. 이론적으로 전고체 배터리는 1회 충전으로 800km 이상 주행이 가능한 전기차를 구현할 수 있는 ’꿈의 배터리’로 불린다.58
• 기술적 과제: 꿈을 현실로 만들기 위해서는 여러 기술적 난제를 넘어야 한다.

1. 덴드라이트(Dendrite) 형성: 전고체 배터리는 에너지 밀도를 극대화하기 위해 음극재로 흑연 대신 리튬 금속을 사용하는 경우가 많다. 그러나 충전 시 리튬 이온이 음극 표면에 균일하게 쌓이지 않고, 나뭇가지 모양의 뾰족한 결정으로 자라나는 ‘덴드라이트’ 현상이 발생한다.58 이 덴드라이트가 계속 성장하여 고체 전해질을 뚫고 양극에 닿으면 내부 단락을 일으켜 배터리 수명을 단축시키고 안전성을 저해한다. 이는 전고체 배터리 상용화의 가장 큰 걸림돌이다.60
2. 낮은 이온 전도도 및 계면 저항: 고체 전해질은 액체 전해질보다 이온 전도도가 낮아 출력이 저하될 수 있다. 또한, 고체인 전극과 고체인 전해질이 만나는 계면(interface)에서 접촉이 완벽하지 않아 높은 저항이 발생한다. 이 계면 저항은 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하여 배터리 성능을 크게 떨어뜨리는 주된 요인이다.56
3. 양산 기술 및 비용: 황화물계, 산화물계 등 유망한 고체 전해질 소재는 아직 가격이 매우 비싸고, 대면적으로 얇고 균일하게 만드는 양산 공정 기술이 확립되지 않았다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 음극에 은-탄소 나노 복합층을 적용하여 덴드라이트 성장을 억제하는 기술 58, 고분자 소재를 분리막에 코팅하는 기술 62 등 다양한 연구가 진행되고 있으며, 2027년경 기술력 승부를 기점으로 상용화가 시작될 것으로 전망된다.63

8.2 리튬-황 배터리: 경량화와 에너지 밀도 혁신, 그리고 폴리설파이드 셔틀 문제

리튬-황 배터리는 양극 활물질로 니켈, 코발트와 같은 무겁고 비싼 희토류 금속 대신, 지구상에 풍부하고 가벼우며 저렴한 **황(Sulfur)**을 사용하는 혁신적인 개념의 배터리다.64

• 원리 및 장점: 리튬-황 배터리의 이론적 무게당 에너지 밀도는 약 2,600 Wh/kg으로, 기존 리튬이온 배터리보다 5배 이상 높다.64 양극재인 황과 음극재인 리튬 금속 모두 매우 가벼워, 배터리 전체의 무게를 획기적으로 줄일 수 있다.65 이러한 ‘초경량 고에너지밀도’ 특성은 무게에 극도로 민감한 항공우주, 도심항공교통(UAM), 장시간 체공 드론 등 미래 항공 모빌리티 분야의 핵심 동력원으로 큰 기대를 모으고 있다.64
• 기술적 과제: 리튬-황 배터리 역시 상용화를 가로막는 고질적인 문제가 있다.

1. 폴리설파이드 셔틀(Polysulfide Shuttle) 현상: 충·방전 과정에서 중간 생성물인 ’리튬 폴리설파이드(Li2Sx)’가 생성되는데, 이 물질이 전해액에 쉽게 녹아 음극으로 이동한다. 음극에 도달한 폴리설파이드는 다시 양극으로 되돌아오는 ‘셔틀’ 현상을 반복하며, 이 과정에서 양극의 활물질인 황이 지속적으로 손실되어 배터리 용량이 급격히 감소하고 수명이 단축된다.60
2. 기타 문제: 황 자체의 낮은 전기 전도도, 충·방전 시 큰 부피 변화, 그리고 리튬 금속 음극 사용에 따른 덴드라이트 문제도 해결해야 할 과제다.68

이 폴리설파이드 셔틀 문제를 억제하기 위해, 분리막에 활성탄이나 기능성 소재를 코팅하여 폴리설파이드를 물리적·화학적으로 붙잡아두는 기술 64, 전해액에 폴리설파이드를 흡착하는 첨가제를 넣는 기술 69, 양극 소재의 구조를 개선하여 용출 자체를 막는 기술 68 등 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

8.3 기타 차세대 기술: 리튬-금속, 나트륨-이온 배터리의 가능성

• 리튬-금속 배터리: 음극재로 흑연 대신 리튬 금속을 직접 사용하여 에너지 밀도를 이론적 한계까지 끌어올리는 기술이다.57 전고체 배터리와 리튬-황 배터리의 성능을 극대화하기 위한 핵심 음극 기술로 함께 연구되고 있으나, 앞서 언급된 덴드라이트 문제를 해결하는 것이 상용화의 관건이다.59
• 나트륨-이온 배터리: 리튬 대신 지구상에 풍부하고 가격이 매우 저렴한 나트륨(Na)을 사용하는 배터리다.71 리튬이온 배터리와 작동 원리는 거의 동일하지만, 나트륨 이온은 리튬 이온보다 크고 무거워 에너지 밀도와 수명이 낮다는 근본적인 한계가 있다.71 하지만 코발트, 리튬 등 고가의 희귀 금속을 전혀 사용하지 않아 가격 경쟁력이 매우 뛰어나므로, 성능 요구치가 높지 않은 저가형 ESS나 전기 이륜차, 저속 전기차 시장을 중심으로 리튬이온 배터리를 보완하는 역할을 할 것으로 기대된다.

이처럼 차세대 배터리 기술들은 각기 다른 난제에 직면해 있다. 전고체 배터리의 ‘고체-고체 계면 저항’, 리튬-황 배터리의 ’전해질-전극 계면’에서의 폴리설파이드 용출, 리튬-금속 배터리의 ’음극-전해질 계면’에서의 덴드라이트 형성은 모두 ’계면(Interface) 제어’의 실패에서 비롯된다. 이는 차세대 배터리 기술의 성패가 단순히 새로운 소재의 발견을 넘어, 서로 다른 물질이 만나는 경계면에서의 복잡한 물리·화학적 현상을 나노 수준에서 정밀하게 제어하는 ’계면 공학(Interfacial Engineering)’의 발전에 달려있음을 시사한다.

9. 결론: 리튬이온 배터리의 현재와 미래 전망

리튬이온 배터리는 지난 30년간 현대 사회의 기술적 진보를 이끌어온 핵심 동력이었으며, 앞으로 다가올 에너지 전환 시대의 성패를 좌우할 가장 중요한 기술 중 하나다. 본 보고서는 리튬이온 배터리의 근본 원리부터 산업 생태계, 그리고 미래 기술에 이르기까지 다각적인 분석을 통해 그 현재를 진단하고 미래를 전망하였다.

9.1 핵심 기술 동향 요약 및 시사점

현재의 리튬이온 배터리 기술은 성숙기에 접어들었음에도 불구하고 끊임없이 진화하고 있다. 양극재에서는 니켈 함량을 극한까지 높인 ‘하이니켈’ 기술을 통해 에너지 밀도를 향상시키고, 음극재에서는 흑연에 실리콘을 첨가하여 충전 속도와 용량을 개선하려는 노력이 계속되고 있다. 이는 전기차의 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축시키려는 시장의 요구에 부응하기 위한 필연적인 흐름이다.

동시에, 기술의 발전은 단일한 방향으로만 수렴하지 않고, 용도에 따라 분화되는 양상을 보이고 있다. 안전성과 경제성을 무기로 한 LFP 배터리가 보급형 전기차와 ESS 시장에서 빠르게 점유율을 확대하며, 고성능 NMC/NCA 배터리와 시장을 양분하는 구도가 정착되고 있다. 이는 더 이상 ’최고의 배터리’가 아닌, ’최적의 배터리’를 찾는 시대로 패러다임이 전환되고 있음을 시사한다.

9.2 산업 생태계의 도전과 기회

글로벌 배터리 산업은 전기차 시장의 폭발적인 성장에 힘입어 전례 없는 호황을 누리고 있다. 그러나 그 이면에는 복합적인 도전 과제들이 산적해 있다. 첫째, 리튬, 코발트, 흑연 등 핵심 광물의 공급망이 특정 국가에 편중되어 있어 원자재 가격 급등과 수급 불안정 리스크에 상시 노출되어 있다. 둘째, 미-중 기술 패권 경쟁이 심화되면서 IRA, CRMA와 같은 정책들이 등장, 공급망이 지정학적 변수에 따라 급격히 재편되는 불확실성의 시대에 진입했다. 셋째, 광물 채굴 과정의 환경·인권 문제와 폐배터리 처리 문제로 인해 ESG 경영과 순환 경제 구축에 대한 사회적 요구가 그 어느 때보다 높아지고 있다.

이러한 도전들은 배터리 기업들에게는 생존을 위협하는 위기인 동시에, 새로운 기회를 창출할 수 있는 변곡점이기도 하다. 기술 초격차를 통해 경쟁 우위를 확보하고, 공급망 다변화와 재활용 기술을 통해 자원 안보를 강화하며, 지속가능한 생산 체계를 구축하는 기업만이 미래 시장의 주도권을 쥘 수 있을 것이다.

9.3 미래 에너지 패러다임 속 리튬이온 배터리의 역할

단기적으로 리튬이온 배터리는 모빌리티의 전동화와 전력 시스템의 탈탄소화를 이끄는 핵심 기술로서의 지위를 더욱 공고히 할 것이다. 기술적 완성도와 규모의 경제를 바탕으로 당분간 대체 불가능한 솔루션으로 시장을 지배할 것이다.

장기적으로는 현재의 기술적 한계를 뛰어넘는 차세대 배터리들이 점진적으로 시장에 진입할 것으로 예상된다. 안전성이 극도로 중요한 프리미엄 전기차나 의료기기 시장에는 전고체 배터리가, 무게가 결정적인 항공 모빌리티 시장에는 리튬-황 배터리가, 가격이 최우선인 저가형 ESS 시장에는 나트륨-이온 배터리가 각각의 영역을 구축하며 기존 리튬이온 배터리와 공존하거나 일부 시장을 대체해 나갈 가능성이 높다.

궁극적으로, 배터리 기술의 발전은 단순히 더 오래가는 스마트폰이나 더 멀리 가는 전기차를 만드는 것을 넘어선다. 이는 인류가 에너지를 생산(신재생에너지), 저장(ESS), 그리고 소비(전기차)하는 방식을 근본적으로 바꾸는 거대한 에너지 패러다임 전환의 중심축이다. 리튬이온 배터리에서 시작된 혁신은 미래 세대의 지속가능한 삶을 가능하게 하는 가장 중요한 기술적 토대가 될 것이다.

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67. 고에너지밀도 리튬-황 전지를 위한 리튬폴리설파이드 용출 억제 연구 - 공업화학전망 - KISS, https://kiss.kstudy.com/Detail/Ar?key=4047217
68. 전북대 연구진, 차세대 에너지 저장장치 ‘리튬-황 전지’ 개발, https://if.jbnu.ac.kr/sboard/view.php?code=sboard_news&page=1&uid=239&keyfield=&key=
69. 폴리도파민을 함유하는 전해액, 이를 포함하는 리튬-황 전지 - Google Patents, https://patents.google.com/patent/KR20170124362A/ko
70. 새로운 리튬 황 전지 기술…황 부식과 용해 현상 막아 - 뉴스튜브, http://www.newstube.kr/news/articleView.html?idxno=3383
71. 리튬이온전지와 나트륨이온전지의 장단점 비교, http://ko.det-power.com/news/comparison-of-advantages-and-disadvantages-between-lithium-ion-battery-and-sodium-ion-battery/