[중앙이코노미뉴스 송태원] SK그룹이 전고체 배터리 기술 개발에 속도를 내며 차세대 배터리 시장에서 경쟁력을 강화하고 있다. 특히 SK온과 SK넥실리스가 잇따라 전고체 배터리 관련 기술 개발에 성공하며 상용화 기대감을 높이고 있다.

6일 업계에 따르면 SK넥실리스는 지난 4일 전고체 배터리용 니켈박 집전체 개발에 성공하며 시장에서 주목받고 있다. 니켈박 집전체는 배터리 내부에서 전자의 흐름을 돕는 핵심 부품으로, SK넥실리스가 개발한 제품은 기존 소재보다 부식 저항성이 뛰어나고 내구성이 강화된 것이 특징이다.

기존 리튬이온 배터리에 사용되는 동박(구리박) 집전체는 전고체 배터리의 높은 전압과 화학 반응에 취약한 단점이 있었지만, SK넥실리스의 니켈박 집전체는 이를 극복할 수 있는 솔루션으로 평가받고 있다.

SK넥실리스는 2024년 상반기부터 국내외 배터리 제조업체들과 협력하며 니켈박 집전체의 성능 테스트를 진행하고 있으며, 오는 2025년부터 본격적인 양산 체제 구축에 돌입할 예정이다. 2026년 상용화를 목표로 하고 있으며, 글로벌 전고체 배터리 시장을 겨냥해 유럽과 미국을 포함한 해외 고객사들과 협력도 강화하고 있다.

SK온은 전고체 배터리 상용화를 위해 두 가지 기술 개발을 병행하고 있다. 고분자-산화물 복합계 배터리는 2027년, 황화물계 배터리는 2029년을 목표로 연구가 진행 중이다.

SK온이 연구하고 있는 고분자-산화물 복합계 배터리는 고분자 전해질의 유연성과 산화물 전해질의 안정성을 결합해 기존 전고체 배터리의 한계를 극복할 수 있는 것이 강점이다. 또한 기존 생산 공정과의 호환성이 높아 대량 생산이 용이하다고 알려져, 상용화 기대감이 크다.

SK온은 지난 1월 한국세라믹기술원과 협력해 고분자-산화물 복합계 배터리 관련 연구 개발 성과를 공개한 바 있다.

연구진은 초고속 광(光)소결 기술을 적용해 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리 제조 공정을 고도화하는 데 성공했다. 기존 산화물계 전해질 소재는 1000도 이상의 고온과 장시간 열처리가 필요해 비용 부담과 취성 파괴 문제가 있었지만, SK온은 빛 에너지 손실을 최소화하는 유색 무기 안료를 활용해 이를 극복했다.

연구진은 초고속 광소결 기술을 이용해 단 몇 초 만에 균일한 다공성 구조체를 형성하고, 여기에 고분자 전해질을 포함하는 복합전해질을 구현했다. 실험 결과, 이 기술을 적용한 배터리는 우수한 수명 특성을 보인 것으로 알려졌다. 인쇄 회로 기판 공정에서 사용되던 광소결 기술을 배터리 제조에 접목한 이번 연구는 차세대 전고체 배터리의 상용화를 앞당길 혁신적 성과로 평가된다.

또한 SK온은 서울대학교와 협력해 황화물계 전고체 배터리의 양극재 연구 성과도  지난 1월 함께 발표했다. 망간리치(LMRO) 양극재의 전고체 배터리 적용 가능성을 분석한 연구는 고온·고전압 환경에서 충·방전 시 LMRO 양극재에서 발생하는 산소(O₂)가 황화물계 고체 전해질을 산화시켜 열화를 유발하는 현상을 분석해 규명하고 산소 발생을 줄이는 특수 코팅 기술을 적용해 배터리 수명을 개선하는 방법을 찾은 것이 특징이다.

SK온은 전기차 '캐즘'등의 어려움으로 지난해 3분기까지 매출이 전년 동기 대비 54% 감소한 4조 6679억원을 기록했음에도 연구개발 투자를 지속해 왔다. SK온의 지난해 3분기까지 누적 연구개발비는 약 2100억 원으로, 2023년 한 해 동안 집행된 3000억 원보다는 줄었지만, 매출액 대비 연구개발비 비율은 4.5%로 최근 3년간 최대 비중을 차지했다.

이는 SK온이 단기적인 실적 변동에 흔들리지 않고, 전고체 배터리 등 차세대 배터리 기술 경쟁력 확보를 위한 장기적 관점의 투자 전략을 유지하고 있음을 보여준다.

SK온은 연구개발을 지원하기 위해 대전 배터리 연구원 내에 차세대 배터리 파일럿 플랜트를 구축하고 있다. 이 시설은 차세대 배터리 개발을 위한 연구 및 시험 생산을 수행하는 핵심 인프라로, 본격적인 양산을 위한 기술 검증과 품질 관리 역할을 맡게 된다.

SK온은 올해 대전 배터리 연구원에 총 4700억 원을 투자할 계획이다. 해당 투자금은 연구시설 확장과 차세대 배터리 파일럿 플랜트 및 글로벌 품질관리센터(G-VC) 구축에 사용돼, 올해 하반기 완공 예정이다.

또한 SK온은 최근 3사 합병을 통해 재무구조를 개선하고, 이를 통해 전고체 배터리 개발을 비롯한 차세대 배터리 연구개발(R&D) 투자를 늘리겠다는 계획을 밝혔다. 

SK온 관계자는 "3사 합병을 통해 안정된 재무 구조를 바탕으로 연구 개발 역량을 강화할 예정이다"라며 "고분자-산화물 복합계 전고체 배터리는 2027년, 황화물계 전고체 배터리는 2029년 상용화를 목표로 노력하겠다"라고 말했다. 

한편, 전고체 배터리는 높은 안정성과 에너지밀도 등의 이유로 차세대 기술로 주목 받고 있다.

시장조사업체 SNE리서치에 따르면 글로벌 전고체배터리는 2030년 122GWh로 성장하여 전체 배터리의 1.6%를 차지할 것으로 보이며, 2035년에는 493GWh로 성장하여 전체 배터리의 6.1%를 차지할 것으로 전망된다. 또한 글로벌 전고체 배터리 시장 규모도 연평균 180%의 높은 성장률을 기록해 2030년 약 400억달러(약 52조7000억원)까지 성장할 것으로 예상된다.