“6분이면 완충” LFP 한계 뛰어넘은 CATL의 ‘기술 공세’, 韓 배터리 3사 활로는 전고체 배터리에

中 CATL, 초고속 충전 가능한 LFP 배터리 개발
기존 LFP 배터리 '구조적 한계' 정조준, 시장 판도 변화 전망
韓 배터리 3사 경쟁 압박 가중, 전고체 배터리가 판도 좌우할까

세계 1위 배터리 기업인 중국 CATL(닝더스다이·宁德时代)이 차세대 리튬인산철(LFP) 배터리를 공개했다. 기존 LFP 배터리의 한계로 꼽히던 충전 속도 문제를 획기적으로 개선하며 시장에 새로운 가능성을 제시한 것이다. LFP 배터리 기술의 발전으로 삼원계 배터리의 기존 성능 우위가 위태로워진 가운데, 시장에서는 삼원계 배터리 중심으로 성장해 온 국내 배터리 3사 등이 차세대 기술을 통해 경쟁력을 확보할 필요가 있다는 분석이 나온다.

CATL, 차세대 LFP 배터리 공개

21일(현지시각) CATL은 베이징 국가회의센터에서 진행된 '슈퍼 테크데이' 행사에서 3세대 '선싱(神行)' 배터리를 공개했다. 선싱은 LFP 기반의 초고속 충전 배터리로, 10%에서 98%까지 충전하는 데 6분 27초가 소요된다. 이는 지난달 비야디(BYD)가 발표한 '9분 완충'을 훌쩍 뛰어넘는 속도이자, 현재 시판 중인 대다수 전기차의 충전 속도를 압도하는 수준이다. 영하 30도 환경 기준 20%에서 98%까지 충전하는 데에도 10분이 채 걸리지 않는다. 이 초고속 충전 기능은 향후 CATL의 주요 신형 배터리에 기본 적용될 예정이다.

이날 행사에서 가오환(高焕) CATL 수석기술관은 "초고속 충전의 난제는 속도가 아닌 발열"이라고 강조했다. 배터리 온도가 10도 오르면 내부 화학 반응이 약 2배 증가하며 배터리 수명이 급격히 감소하는데, △발열 감소 △냉각 강화 △온도 정밀 제어로 이를 해결했다는 설명이다. 우선 CATL은 발열을 최소화하기 위해 배터리 내부 저항을 0.25mΩ(밀리옴)까지 줄였다. 이는 업계 평균보다 50% 낮은 수치다. 아울러 이온 전도도를 획기적으로 높인 새로운 전해질 배합 기술을 적용해 초고속 충전 시 발생하는 내부 저항을 줄이고 열 관리를 최적화했다.

냉각 면적도 배터리 하부만을 냉각하는 기존 방식에 비해 4배가량 확대됐으며, 배터리를 셀 단위로 정밀 냉각하는 신기술을 통해 냉각 효율도 20% 향상했다. 또 배터리 온도 측정 정확도를 오차범위 1도 수준까지 높여 배터리 상태를 더 정밀하게 제어할 수 있도록 조치했다. 이로써 1,000회 초고속 충전 후에도 배터리 성능을 90% 이상 유지할 수 있다는 것이 CATL 측의 설명이다.

LFP 배터리의 기존 약점 보완

시장에서는 CATL이 LFP 배터리의 기존 한계를 뛰어넘었다는 점에 주목하고 있다. LFP 배터리는 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등 리튬코발트산화물(LCO) 양극재를 기본으로 하는 삼원계 배터리와 달리 리튬인산철로 양극재를 구성한다. 이러한 구조의 최대 강점은 제조 비용 부담이 낮다는 데 있다. 인산철은 코발트보다 원재료 가격이 낮기 때문이다. 아울러 리튬인산철은 크리스털 형태의 육면체들이 유기적으로 연결된 격자 구조(올리빈 구조)를 띠어 열적 안정성이 높고, 과열이나 화재 위험도 상대적으로 낮다.

다만 LFP 배터리는 그간 삼원계 배터리보다 성능이 낮다는 평가를 받아 왔다. 전기를 저장하는 활물질의 전도도가 낮아 도전재, 바인더 등 비활성 물질을 많이 포함해야 하는 구조가 문제였다. 기본적으로 무겁고 에너지 밀도가 낮은 LFP 배터리는 전기차에 적용할 경우 주행 거리 확보에 차질을 빚는 경우가 대다수였다. 실제 국제에너지기구(IEA) 분석에 따르면 LFP 배터리의 에너지 밀도는 약 90~160Wh/kg(와트시/킬로그램) 수준으로, 삼원계 배터리(150~300Wh/kg) 대비 눈에 띄게 낮다.

고속 충전 성능 역시 삼원계 배터리 대비 부족했다. 배터리 내부에서 리튬이온과 전자가 이동하는 속도가 느린 탓이다. 특히 저온 환경에서는 충전 속도 저하 문제가 더 두드러지는 경우가 많았다. CATL의 선싱 배터리는 이러한 LFP 배터리의 약점을 정면으로 겨냥한 제품인 셈이다. 관련 업계에서는 충전 속도가 소비자의 선택을 좌우하는 핵심 요소 중 하나인 만큼, CATL의 기술이 상용화될 시 LFP 배터리의 적용 범위가 보급형 차량을 넘어 중대형급 전기차 시장까지 확대될 수 있다는 전망이 나온다.

전고체 배터리가 품은 가능성

이 같은 CATL의 기술 진전은 국내 배터리 3사에 있어 적지 않은 부담으로 작용할 것으로 보인다. 국내 업체들이 강점을 보여온 삼원계 배터리의 성능 우위가 흔들리며 경쟁 압박이 가중될 가능성이 커진 탓이다. 이런 가운데 일각에서는 이들 기업이 본질적인 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 삼원계·LFP의 한계를 뛰어넘는 전고체 배터리 개발에 속도를 내야 한다는 분석도 나온다.

현재 일반적으로 사용되는 리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성된다. 이중 전해질은 양극과 음극 사이로 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 매개체다. 문제는 전해질에 가연성 유기 용매가 포함돼 있어 외부 충격이 발생한 상황이나 고온 환경에서 화재·폭발 위험이 크다는 점이다. 이 같은 리스크를 근본적으로 해소하기 위해서는 전지 타입 자체를 변경하는 개선책이 필요하다. 이때 유력한 대안으로 꼽히는 것이 전고체 배터리다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리 내 전해질을 액체가 아닌 분말 형태의 고체로 대체한 제품이다.

고체 전해질은 리튬 이온이 이동하는 과정에서 기존의 분리막 역할을 수행하며, 리튬이온 전지의 분리막보다 강성이 높아 양극과 음극의 접촉을 차단하기에 용이하다. 화재나 폭발 위험이 대폭 줄어든다는 의미다. 이에 더해 온도 변화나 외부 충격에 따른 누액, 산화 등이 일어날 가능성이 낮아 사용 편의성이 높고, 내구성이 뛰어나 유지보수 비용을 경감하는 효과도 있다. 이처럼 안전성이 향상되면 배터리 외장 케이스나 냉각장치를 단순화하고, 남은 공간을 배터리 셀(Cell)로 활용해 보다 높은 에너지 밀도를 구현하는 것도 가능해진다.

현재 국내 배터리 3사는 글로벌 시장의 전고체 배터리 기술 개발 경쟁을 주도 중이다. 삼성SDI는 2027년 하반기 전고체 배터리 양산을 목표로 올해 최종 검증 단계에 돌입했다. 지난해 10월에는 독일 완성차 업체 BMW, 미국 배터리 업체 솔리드파워와 전고체 배터리의 개발 및 실증을 위한 3자 업무 협약을 체결하기도 했다. LG에너지솔루션은 2029년까지 전기차용 흑연계 전고체 배터리를 상용화하겠다는 계획이며, 지난달 양극 소재로 황(Sulfur)을 활용한 고용량 배터리를 전고체 기술을 통해 실제로 구현하는 데 성공했다. SK온은 2029년 상용화를 목표로 황화물계 전고체 배터리 개발을 추진 중이다.