황화물계 복합 고체 전해질막 및 이를 적용한 전고체전지 개발의 중요 연대기
[뉴스에프엔 김익수 기자] 전고체전지가 리튬이온전지의 안전성 한계를 극복할 차세대 배터리로 주목받고 있는 가운데, 황화물계 고체전해질 기술이 시장을 선도하고 있다. 특히 대기 안정성을 높인 Argyrodite계 소재가 상용화를 위한 핵심 후보로 떠오르면서 관련 연구와 투자 열기가 뜨겁다.
SNE 리서치가 28일 제공한 '2025 황화물계 고체전해질 기술개발현황 및 시장 전망'에 따르면 전고체전지는 '우수한 안전성', '높은 에너지밀도', '높은 출력', '넓은 사용온도', '단순 전지구조' 등 다양한 장점을 갖추고 있으며, 그 핵심 소재인 고체전해질 중 황화물계가 현재 가장 앞선 기술력을 확보하고 있다.
황화물계 고체전해질은 액체 전해질에 근접하는 높은 이온전도도(10⁻³~10⁻² S/cm)를 지니며, 저온 성능과 공정성이 뛰어난 것이 특징이다.
대표 화합물로는 Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS), Li₇P₃S₁₁, Li₆PS₅Cl 등이 있으며, 이 중 Argyrodite계는 저비용 대량합성이 가능하고 안정성이 우수해 산업계에서 폭넓게 채택되고 있다.
다만, 황화물계 전해질은 수분에 취약하고 리튬금속·양극재와의 계면 반응이 문제로 지적된다. 이에 따라 이온전도도 및 안정성 향상을 위한 도핑 기술, 전극 계면 안정화를 위한 인터페이스 설계 및 버퍼층 도입, 저가 원료를 활용한 대량합성 기술 개발 등이 활발히 진행되고 있다.
세계 각국도 전고체전지 기술 확보에 박차를 가하고 있다. 중국은 2024년 2월 CASIP를 출범시켜 전고체 배터리 공급망 구축에 나섰고, 한국은 민관 배터리 얼라이언스 프로그램을 통해 생태계 육성에 집중하고 있다. 일본 역시 경제산업성 지원 아래 자동차·배터리 업계가 총 1.2조엔 규모의 투자를 단행했다.
시장 전망도 밝다. SNE Research에 따르면 2030년 글로벌 전고체전지 시장은 약 122GWh, 2035년에는 약 493GWh에 이를 것으로 예측되며, 이 중 황화물계 전고체전지는 각각 45GWh, 275GWh를 차지할 것으로 보인다. 그러나 여전히 충방전 수명(수천 사이클 이상 확보 필요)과 제조비용(kWh당 기존 리튬이온전지 대비 4~25배 높은 비용) 문제가 상용화의 큰 장벽으로 남아 있다.
따라서 황화물계 고체전해질의 장수명화 및 저비용화 기술 확보가 전고체전지 상용화의 열쇠로 평가된다.
이번 리포트는 황화물계 고체전해질 개발 동향을 종합적으로 정리했다. 특히 최근 주목받는 대기안정형 황화물계 고체전해질, 그 중 Argyrodite계 소재의 합성과 응용에 대해 심층 분석했으며, 황화물계 고체전해질의 핵심 출발물질인 황화리튬(Li₂S)의 저가격 합성 기술과 주요 생산 업체들의 동향까지 폭넓게 다뤘다.
또한 관련 특허 및 라이선스 현황을 상세히 분석해, Argyrodite계 및 LGPS계 특허의 권리범위와 실시예를 심도 있게 해설함으로써 황화물계 고체전해질을 개발하거나 활용하고자 하는 기업 및 연구자들에게 실질적인 가이드를 제공하고 있다.