연구실 넘어 車 검증 돌입한 전고체 배터리…삼성SDI, 中·日과 양산 경쟁

[빅데이터뉴스 김다경 기자] 전고체 배터리가 실제 자동차 탑재를 위한 엔지니어링 검증 단계에 들어섰다. 삼성SDI를 비롯한 한국과 일본 업체들이 파일럿 생산라인에서 자동차용 셀의 성능과 신뢰성 검증에 속도를 내는 가운데 중국 업체들도 파일럿라인을 확대하고 있다. 여기에 핵심 소재인 황화리튬(Li₂S) 가격도 하락하면서 긍정적인 요인으로 작용할 전망이다.

14일 업계에 따르면 시장조사업체 트렌드포스는 최근 발표한 '2026년 2분기 글로벌 전고체 배터리(SSB) 산업 동향' 보고서에서 전고체 배터리 산업이 2026년 들어 엔지니어링 검증 단계에 진입했다고 분석했다. 중국·일본·한국 주요 업체들의 기술성숙도(TRL)가 실험실 수준인 1~3단계를 넘어 일부 선도 업체는 5~6단계로 올라섰다는 평가다.

이는 전고체 배터리 개발의 초점이 고체전해질 등 핵심 소재의 성능을 확보하는 단계에서 실제 자동차에 탑재할 수 있는 셀을 안정적으로 생산하고 검증하는 단계로 옮겨가고 있는 것으로 풀이된다. 상용화를 위해서는 충·방전 성능과 수명, 출력, 안전성, 온도 특성 등을 안정적으로 유지하고 생산 과정에서 균일한 품질을 확보해야 한다.

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것으로 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도를 높일 수 있다는 점이 특징이다. 특히 전기차와 로봇처럼 배터리의 무게와 공간 제약이 큰 시장에서는 에너지 밀도와 안전성을 동시에 높일 수 있다는 장점이 부각되면서 적용 가능성이 커지고 있다.

한국 업체 가운데서는 삼성SDI가 전고체 배터리 상용화에 속도를 내고 있다. 삼성SDI는 수원 연구소에 6500㎡ 규모 전고체 배터리 파일럿 라인을 구축하고 시제품 개발을 진행해 왔다. 2027년 하반기 양산을 목표로 하고 있으며 2023년 말 샘플을 주요 고객사에 제출한 데 이어 2024년 하반기에는 셀 부피를 키운 샘플을 고객사에 제출했다고 밝혔다.
삼성SDI는 올해 인터배터리에서도 '솔리드스택'이라는 브랜드의 각형·파우치형 전고체 배터리를 공개하며 제품 형태를 구체화했다. 회사는 전고체 배터리에 황화물계 고체전해질과 무음극 기술을 적용해 높은 에너지 밀도와 안전성을 확보한다는 전략이다.

일본의 닛산도 두꺼운 형태의 23층 적층 자동차용 전고체 배터리 셀에 대한 충·방전 시험을 완료했다. 트렌드포스는 해당 셀이 기존 액체 전해질 기반 리튬이온 배터리보다 우수한 용량 유지 특성을 보였다고 분석했다. 닛산은 공식적으로도 2028년에 전고체 배터리를 탑재한 EV를 출시한다는 계획을 제시하고 있다.

일본 완성차 업체들의 양산 경쟁도 빨라지고 있다. 도요타는 전고체 배터리를 탑재한 전기차용 배터리를 2027~2028년부터 생산하고 이후 양산 기반을 구축한다는 계획이다. 혼다는 일본 도치기현 사쿠라시에 전고체 배터리 시범 생산라인을 마련하고 생산기술 검증에 나섰다.

중국 업체들도 추격 속도를 높이고 있다. CATL·BYD·FAW 등은 소규모 전고체 배터리 파일럿라인을 확대하면서 기술성숙도 4~5단계 진입을 추진하고 있다. 아직 일본·한국의 일부 선도 업체보다 검증 단계가 낮지만 중국 역시 소재부터 파일럿 생산까지 공급망을 빠르게 구축하고 있어 향후 양산 경쟁에서 변수로 작용할 전망이다.

핵심 소재 공급망도 움직이기 시작했다. 전고체 배터리 가운데 현재 파일럿 생산과 연구개발에서 주류로 자리 잡은 황화물계 기술이 확대되면서 황화리튬(Li₂S) 수요가 늘고 있다. 트렌드포스는 중국·일본·한국을 중심으로 글로벌 황화리튬 생산능력이 올해 상반기 600톤을 넘어섰으며 2027년에는 1000톤 수준으로 확대될 것으로 전망했다.

일부 공급업체의 월간 황화리튬 출하량도 킬로그램 단위에서 톤 단위로 올라오기 시작했다. 공급망 확대와 원가 절감 압력이 맞물리면서 황화리튬 가격은 최근 6개월 동안 50% 이상 떨어져 6월 기준 kg당 약 219달러까지 하락했다.

다만 전고체 배터리를 실제 제품으로 구현하기까지는 여전히 넘어야 할 기술적 과제가 남아 있다. 특히 고체전해질과 전극 사이의 계면 저항을 낮추고 충·방전 과정에서 안정성을 유지하는 동시에 균일한 품질을 확보하는 것이 주요 과제로 꼽힌다. 양산 단계에서는 제조 수율과 원가를 낮추는 것도 해결해야 할 과제다.

삼성SDI는 최근 컨퍼런스콜에서 "전고체 배터리의 2027년 하반기 양산 목표를 유지하고 있다"며 "현재 고객 수요와 협력 상황을 고려할 때 첫 상용화 프로젝트는 휴머노이드 로봇이 될 가능성이 높고 전기차용 전고체 배터리도 여러 고객사와 셀 대형화 등 개발 협력을 이어가고 있다"고 말했다.

삼성SDI 관계자는 "전고체 배터리 상용화 이후 탑재처와 관련해서는 현재 고객사들과 지속적으로 협의하고 있으며 구체적인 고객사나 적용처는 공개하기 어렵다"고 밝혔다.

김다경 빅데이터뉴스 기자 dk@thebigdata.co.kr