전고체 배터리 공정 7단계, 상용화가 늦는 이유

전고체 배터리는 불붙기 쉬운 액체 전해질을 단단한 고체로 바꾼 배터리입니다. 소재 하나만 바꾸면 될 것 같지만, 실제로는 배터리를 만드는 공정 전체를 처음부터 다시 짜야 합니다. 이 글은 전고체 배터리 공정을 원료부터 조립까지 7단계로 나눠, 단계마다 무엇이 어렵고 어떤 기업이 자주 거론되는지 정리합니다.

투자 조언이 아닙니다. 아래 기업 이름은 각 단계에서 공개된 연구개발이나 납품 소식으로 자주 거론되는 곳이며, 확정된 수혜 기업이 아니고 매수⁠·매도를 권하지 않습니다.

전고체 배터리 상용화가 늦는 이유, 공정 전체의 문제

기존 리튬이온 배터리의 가장 큰 약점은 불붙기 쉬운 액체 전해질입니다. 이것을 안전하고 단단한 고체로 바꾸자는 것이 전고체 배터리의 출발점입니다.

많은 사람이 여기서 착각합니다. 액체 하나를 고체 소재로 바꿔 끼우는 문제였다면 상용화는 벌써 끝났을 것입니다. 실제로는 가루를 만들고, 섞고, 바르고, 누르고, 쌓는 모든 단계를 새로 설계해야 합니다.

고체 전해질이 어려운 물리적 이유

액체는 스며들고, 고체는 못 흐른다

액체 전해질은 부어 넣기만 하면 양극재와 음극재 사이 빈 곳으로 알아서 스며듭니다. 고체는 스스로 빈틈을 찾아 흐르지 못합니다. 그래서 고체 전해질과 전극이 빈틈 없이 직접 맞닿아 있어야 리튬 이온이 건너갈 수 있습니다.

부풀었다 줄어드는 동안에도 붙어 있어야 한다

배터리는 충전과 방전을 할 때마다 미세하게 부풀었다 줄어들기를 되풀이합니다. 그 와중에도 고체끼리 닿은 접촉면이 끊어지면 안 됩니다. 액체 배터리가 푹신한 스펀지에 물을 적시는 일이라면, 전고체는 마른 모래에 자갈을 섞어 빈틈 없이 채우는 일에 가깝습니다.

그래서 전고체의 본질은 다섯 가지 질문으로 모입니다.

• 고체 가루를 어떻게 만드나
• 어떤 비율로 섞나
• 얼마나 얇게 펴 바르나
• 어떻게 빈틈 없이 붙이고 힘으로 누르나
• 어떻게 정확히 쌓나

전고체 배터리 공정 7단계 지도

공정은 일곱 정거장으로 나눠 볼 수 있습니다.

1. 원료
2. 고체 전해질
3. 복합 양극
4. 전해질층
5. 가압
6. 적층
7. 조립

읽기 전에 알아 둘 점이 있습니다. 전 세계적으로 "이것이 정답"이라고 확정된 전고체 양산 표준 공정은 아직 없습니다. 아래 기업들도 확정된 수혜 기업이 아니라, 공개된 연구개발이나 전고체 관련 납품 소식이 있어 후보로 거론되는 곳입니다.

공정 지도전고체 배터리 공정 7단계, 단계마다 어려운 점

1. 1원료

   황화리튬(Li2S). 수분에 닿으면 유독 가스를 내서 수분을 막은 환경에서 합성합니다.

2. 2고체 전해질

   리튬 이온이 다닐 길을 만드는 단계입니다.

3. 3복합 양극

   이온길과 전자길이 엉키지 않으면서 곳곳에 이어져야 합니다.

4. 4전해질층

   구멍 하나 없는 얇은 막을 만들어야 합니다.

5. 5가압

   가장 높은 허들로 꼽힙니다. 고체끼리 맞닿는 빈틈(계면 저항)을 줄입니다.

6. 6적층

   전해질층, 양극, 음극을 수백 장 쌓습니다. 얇은 고체막이 깨지기 쉽습니다.

7. 7조립

   셀을 완성하는 최종 단계입니다.

국내 배터리 3사의 전고체 양산 목표

장비⁠·소재 기업의 흐름은 결국 배터리 셀을 만드는 회사의 일정을 따라갑니다. 2026년 10월 현재 각 사가 밝혀 온 목표는 이렇습니다.

• 삼성SDI: 황화물계 전고체 배터리 2027년 양산 목표. 2023년부터 수원 연구소의 파일럿 라인(S라인)을 돌리며 가장 앞서 검증하고 있습니다.
• LG에너지솔루션: 2029년 전후 양산 목표. 음극을 따로 두지 않는 무음극 구조처럼 에너지 밀도를 높인 방식을 연구하고 있습니다.
• SK온: 2029년 양산 목표. 미국 솔리드파워 등과 협력해 파일럿 검증을 하고 있습니다.

목표 연도는 발표 시점마다 바뀌어 왔으니 각 사의 최신 발표를 확인해야 합니다. 장비⁠·소재 쪽은 가장 앞선 삼성SDI의 검증과 생산 확대 일정에 맞춰 움직일 가능성이 큽니다.

양산 목표국내 배터리 3사의 전고체 양산 목표 (2026년 10월 기준)

• 2027년삼성SDI황화물계. 수원 연구소 파일럿 라인(S라인)을 2023년부터 운영합니다.
• 2029년 전후LG에너지솔루션음극을 따로 두지 않는 무음극 구조를 연구합니다.
• 2029년SK온미국 솔리드파워 등과 협력해 파일럿 검증을 합니다.

1단계 원료: 황화리튬

현재 주된 방향으로 거론되는 것은 황화물계 고체 전해질이고, 그 바탕 원료가 황화리튬(Li2S)입니다.

황화리튬은 공기 중 수분에 조금만 닿아도 유독한 황화수소 가스를 내며 변질될 만큼 민감합니다. 그래서 수분을 철저히 막은 환경에서 고순도로 합성해야 합니다. 원료를 대량으로 안정적으로 합성하지 못하면 뒤 단계 장비는 돌릴 수조차 없습니다.

이 단계에서 자주 거론되는 기업은 이수스페셜티케미컬, 레이크머티리얼즈입니다.

2단계 고체 전해질 생산

리튬 이온이 다닐 길인 고체 전해질 자체를 만드는 단계입니다.

• 롯데에너지머티리얼즈: 동박(배터리용 얇은 구리막) 회사이지만, 기존 설비를 활용해 고체 전해질 샘플과 파일럿 생산 라인을 갖췄다고 알려져 있습니다.
• 에코프로비엠: 양극재 기술을 바탕으로 고체 전해질까지 개발하고 파일럿 검증을 하고 있습니다.
• 포스코홀딩스⁠·포스코퓨처엠, 에코프로 그룹: 광산부터 고체 전해질, 양극재, 차세대 음극재까지 묶는 수직계열화 사례로 거론됩니다.
• 한농화성: 황화물계가 아닌 고분자계 고체 전해질이라는 보조 축에서 연구개발을 하고 있습니다.

분리막 회사는 사라지나

전고체가 되면 분리막(양극과 음극이 닿지 않게 막는 얇은 막) 회사는 일이 없어지느냐는 질문이 많습니다. 제로섬으로 단정하기는 어렵습니다. 액체 사이를 막던 예전 역할은 줄어듭니다. 하지만 얇아진 고체 전해질층이 충격에 깨질 위험이 있어, 분리막 기술이 보호층이나 보강층으로 바뀌어 들어가는 과정으로 보는 편이 정확합니다.

3단계 복합 양극: 이온길과 전자길

양극에는 길이 두 개 필요합니다.

• 리튬 이온이 다니는 수도관(이온길)은 고체 전해질이 만듭니다.
• 전자가 다니는 고속도로(전자길)는 도전재(전기를 잘 통하게 하는 첨가물)가 만듭니다.
• 두 길이 엉키지 않으면서 양극재 입자 곳곳에 거미줄처럼 연결돼야 합니다.

여기서 딜레마가 생깁니다. 도전재를 많이 넣으면 전자길은 좋아지지만, 에너지를 담는 양극재 자리가 줄어 에너지 밀도가 떨어집니다. 그래서 양극재, 고체 전해질, 도전재 세 가루의 비율과 미세구조 설계가 중요합니다.

적은 양으로도 전자 통로를 잘 만드는 CNT(탄소나노튜브) 도전재가 주목받으며 제이오가 거론되고, 가루를 뭉치지 않게 섞는 믹싱 쪽으로 티에스아이가 거론됩니다.

4단계 전해질층: 얇고 구멍 없는 막

전해질층을 만드는 일은 수영장 바닥에 구멍 하나 없는 얇은 방수막을 까는 일과 비슷합니다. 너무 두꺼우면 배터리가 무거워지고 성능이 떨어집니다. 미세한 구멍이 하나라도 있으면 양극과 음극이 닿아 합선이 납니다. 얇고 균일하면서, 구부러지거나 눌려도 깨지지 않는 막이 필요합니다.

기존 액체 배터리 장비를 조금 고쳐 쓰는 것과는 다르기 때문에, 전고체 전용 장비 실적이 있는지가 중요합니다. 이 단계에서는 두 곳이 자주 거론됩니다.

• 씨아이에스(CIS): 고체 전해질 전용 코팅 장비와 압착 장비 쪽 연구개발과 납품이 알려져 있습니다.
• 피엔티: 액체 용매를 쓰지 않는 건식 혼합부터 건식 코팅까지 이어지는 전고체 통합 파일럿 라인을 구축하고 있습니다.

5단계 가압: 가장 어려운 단계로 꼽히는 이유

가압 공정은 전고체 상용화에서 가장 높은 허들로 자주 꼽힙니다.

두꺼운 스키 장갑을 낀 채 악수하면 상대의 체온이 느껴지지 않습니다. 고체끼리도 그냥 맞대기만 해서는 미세한 빈틈이 남아 이온이 잘 건너가지 못합니다. 이 저항을 계면 저항이라고 하고, 없애려면 아주 큰 압력으로 눌러야 합니다.

가압은 두 층위로 나뉩니다.

• 낱장 전극 단계: 롤러 등으로 전극의 밀도와 두께를 잡는 가압입니다. 4단계의 장비 업체들이 여기에도 걸쳐 있습니다.
• 셀 전체 단계: 층층이 쌓은 셀을 통째로 누르는 가압으로, 난도가 훨씬 높습니다.

WIP(온간 등방압 프레스)

셀 전체를 쇠판으로 위에서 누르면 힘이 고르게 들어가지 않습니다. 그래서 쓰는 방식이 WIP입니다. 셀을 완전히 밀봉해 따뜻한 액체가 찬 큰 압력 용기에 넣고, 사방에서 같은 압력을 줍니다. 깊은 바다의 잠수함이 사방에서 같은 수압을 받는 것과 같은 원리입니다. WIP 장비 국산화와 공급으로 하나기술이 자주 거론됩니다.

WIP는 성능은 잘 나오지만 양산성이 떨어집니다. 밀봉하고, 용기에 넣고, 꺼내서 포장을 뜯고 말리는 과정이 길기 때문입니다.

건식 균일 가압

대안으로 액체 없이 기계적인 힘을 고르게 주는 건식 가압 기술이 연구되고 있습니다. 균일 압력 기술을 연구하는 미래컴퍼니, 면압 프레스⁠·롤프레스⁠·건식 코터를 개발하는 엠플러스가 후보로 거론됩니다.

6단계 적층과 7단계 조립

적층은 숨소리에도 무너지는 카드탑을 쌓는 일과 비슷합니다. 전해질층, 양극, 음극을 수백 장 쌓는데, 고체막이 얇아 작은 충격에도 깨질 수 있습니다. 수백 장 가운데 한 장만 어긋나도 합선으로 셀 전체가 불량이 됩니다.

• 적층(스태킹)·노칭(전극을 정해진 모양으로 잘라 내는 공정): 전고체 전용 장비를 개발하는 필에너지, 레이저 노칭 쪽의 디엔티가 거론됩니다.
• 최종 조립: 삼성SDI의 전고체 개발 라인에 조립 설비를 납품한 엠오티가 거론됩니다.

단순 엑스레이 검사 장비나 일반 공장 물류 자동화 기업은 전고체만의 기술로 보기 어려워, 이 지도에서는 빼고 보는 편이 정확합니다.

전고체가 전기차에 바로 들어가지 않는 이유

전을 부치는 일을 떠올리면 이해가 쉽습니다. 손바닥만 한 전은 고루 익지만, 솥뚜껑만 한 전은 가장자리만 타고 가운데는 설익습니다. 전기차용 대면적 각형 셀도 면적이 커질수록 전체에 똑같은 압력을 주기 어렵습니다. 덜 눌린 가운데 부분은 이온이 제대로 움직이지 못하는 데드 스페이스(죽은 공간)가 됩니다.

그래서 크기가 작아도 되는 기기용 소형 파우치형 전고체가 먼저 시장에 나올 것이라는 전망이 많습니다. 로봇, 드론, 도심 항공 모빌리티, 웨어러블 기기, 피지컬 AI(로봇처럼 현실에서 움직이는 AI) 기기가 대표적입니다. 이 시장에서 검증과 데이터를 쌓아 압력 제어 기술을 끌어올린 뒤, 전기차용 대면적 각형 시장이 열리는 순서가 거론됩니다.

리튬 메탈 음극과 덴드라이트

전고체가 되면 흑연 음극 대신 리튬 메탈 음극을 쓸 수 있다는 기대가 큽니다. 리튬 메탈의 이론 용량은 1g당 약 3,860mAh로, 흑연(약 372mAh)의 10배 수준입니다.

하지만 바로 쓸 수 있는 해법은 아닙니다. 문제는 두 가지입니다.

• 충전과 방전 때마다 리튬 메탈의 두께가 풍선처럼 부풀었다 줄어듭니다.
• 표면에 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 덴드라이트가 고체 전해질층을 뚫고 반대편에 닿으면 합선이 납니다.

덴드라이트 억제, 큰 부피 변화를 감당할 가압 기술, 특수한 계면 설계가 함께 갖춰져야 리튬 메탈을 쓸 수 있습니다. 그 사이 징검다리로는 흑연에 실리콘을 섞어 용량을 늘리는 실리콘 음극재가 쓰이며 대주전자재료가 거론됩니다. 포스코퓨처엠의 리튬 메탈 연구 같은 차세대 무음극 연구도 같은 흐름에 있습니다.

전고체 관련 뉴스를 볼 때는 "전고체 수혜"라는 말보다 그 기업이 7단계 중 어디에 있는지, 실제 납품이나 파일럿 참여가 공시나 보도로 확인되는지를 먼저 보면 과장된 홍보를 걸러 내기 쉽습니다.

자주 묻는 질문

전고체 배터리는 언제 상용화되나요?

국내에서는 삼성SDI가 2027년 양산을, LG에너지솔루션과 SK온이 2029년 전후를 목표로 밝혀 왔습니다. 목표 연도는 발표 시점마다 바뀌어 왔으니 각 사의 최신 발표를 확인해야 합니다. 전기차보다 로봇⁠·드론 같은 소형 기기용이 먼저 나올 것이라는 전망이 많습니다.

전고체 배터리 공정에서 가장 어려운 단계는 무엇인가요?

가압 공정이 가장 높은 허들로 자주 꼽힙니다. 고체끼리는 빈틈 없이 붙지 않아 큰 압력으로 눌러야 하는데, 셀이 클수록 고르게 누르기 어렵습니다. WIP처럼 성능이 나오는 방식은 양산 속도가 느립니다.

황화물계 고체 전해질은 왜 다루기 어렵나요?

원료인 황화리튬이 공기 중 수분에 닿으면 유독한 황화수소 가스를 내며 변질되기 때문입니다. 수분을 철저히 막은 환경에서 고순도로 합성하고 다뤄야 합니다.

전고체가 되면 분리막은 필요 없나요?

액체를 막던 역할은 줄지만, 얇은 고체 전해질층이 깨지지 않게 보호하는 층으로 기술이 바뀌어 들어갈 수 있습니다. 분리막 산업이 바로 사라진다고 단정하기는 어렵습니다.