2025년 전기차 배터리 혁명을 이끄는 고체 배터리와 리튬이온 배터리의 장단점을 비교했습니다. 한국 중심의 연구 동향과 글로벌 기술 흐름을 함께 살펴보고, 고체 배터리의 실제 주행거리 체험, 안전성 개선 효과, 비용 구조 변화와 상용화 가능성까지 종합적으로 분석했습니다.
들어가며
전기차의 성능은 배터리 기술에 크게 좌우된다. 지금까지는 리튬이온 배터리가 높은 에너지 밀도와 가격 경쟁력을 바탕으로 EV 시장을 지배해 왔다. 그러나 최근 잦은 화재 사고와 항속거리 한계 때문에 안전성과 효율을 동시에 만족하는 전고체 배터리(ASSB) 가 ‘꿈의 배터리’로 불리며 주목받고 있다newsroom.posco.com. 이 글에서는 두 배터리의 구조적 차이를 설명하고, 2025년 기준의 기술 발전 상황과 주행 체험을 통해 장단점을 비교한다.
리튬이온 배터리의 현황
리튬이온 배터리는 음극과 양극 사이에 액체 전해질과 분리막을 두어 리튬 이온을 이동시키는 구조다. 높은 에너지 밀도와 비교적 낮은 제조 비용 때문에 스마트폰·노트북부터 전기차에 이르기까지 널리 사용된다. 하지만 액체 전해질은 누액과 가연성 위험이 있어 화재 사고의 원인이 될 수 있다.
배터리 제조업체에 따르면 일반 리튬이온 배터리의 중량 에너지 밀도는 약 150–250 Wh/kg 수준이며herewinpower.com, 셀 사이의 분리막과 냉각 시스템 때문에 구조가 복잡하다. 충전 속도도 제한적이라 10–80 % 급속충전에 20–30분 이상이 필요하고, 겨울철에는 0 °C 이하에서 충전을 피해야 한다는 주의사항도 있다herewinpower.com. 이러한 한계는 EV 항속거리와 사용 편의성을 제약한다.
리튬이온 배터리의 장점
- 성숙한 기술과 낮은 비용: 수십 년 동안 양산되어 공정이 안정적이며 부품 공급망이 탄탄하다.
- 높은 전력 밀도: 스마트폰 등 휴대기기부터 대형 EV까지 다양한 규모에서 활용할 수 있다.
- 재활용 체계가 구축됨: 리튬이온 배터리 재활용 산업이 성장하면서 원료 회수와 비용 절감에 기여한다.
리튬이온 배터리의 한계
- 화재 위험과 안전성: 액체 전해질의 누액과 발열로 인해 화재 위험이 존재하며, 배터리 관리 시스템(BMS)에 의존한다herewinpower.com.
- 에너지 밀도 한계: 에너지 밀도가 250 Wh/kg 안팎으로 물리적인 한계에 접근하고 있어 주행거리 향상이 쉽지 않다.
- 저온 환경에서의 성능 저하: 0 °C 이하에서는 충전 속도가 크게 떨어지거나 충전 자체를 피해야 한다herewinpower.com.
전고체 배터리란?
전고체 배터리는 전극과 전해질이 모두 고체로 이루어진 2차전지다. 액체 대신 세라믹·황화물·고분자 등으로 만든 고체 전해질을 사용하므로, 전해질 누수나 가연성 문제를 근본적으로 해소한다. 고체 전해질이 곧 분리막 역할을 하기 때문에 구조가 단순화되고, 높은 에너지 밀도와 안전성이 장점이다newsroom.posco.com.
장점
- 안전성 향상: 고체 전해질은 기계적 강도가 높아 침입이나 단락에 강하고, 화재 위험이 대폭 줄어든다.
- 넓은 작동 온도 범위: 고체 전해질은 -40 °C부터 100 °C까지 폭넓은 온도에서 안정적으로 작동해 혹한·혹서 환경에서 유리하다.
- 높은 에너지 밀도: 에너지 밀도가 리튬이온 대비 두 배 이상 향상될 수 있어 훨씬 긴 주행거리를 기대할 수 있다seo.goover.ai.
- 냉각 시스템 단순화: 고체 전해질이 열에 안정적이기 때문에 냉각 시스템을 간소화할 수 있어 차량 경량화에 도움된다.
한계와 기술적 과제
- 이온 전도도: 고체 전해질은 액체보다 이온 전도도가 낮아 출력과 충전 속도가 떨어질 수 있다. 연구자들은 계면 접합과 전해질 조성을 개선해 성능을 끌어올리고 있다.
- 제조 비용과 대량 생산: 고체 전해질 소재와 공정이 아직 비싸고 대량 생산 기술이 성숙하지 않아 가격 경쟁력이 부족하다electrek.co.
- 상용화 시점: 전문가들은 2030년대 상용화를 예상하지만, 2025년 현재는 시제품 단계로 연구가 진행 중이다seo.goover.ai.
2025년 개발 동향
SK On의 전고체 배터리 파일럿 플랜트
2025년 9월 SK On은 대전 연구소에 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공했다. 4,600㎡ 규모의 시설에서 ‘WIP‑free(등방압 프레스 없이)’ 공정을 적용해 고체 전해질과 전극의 결합을 개선함으로써 내부 저항을 낮추고 수명을 연장하는 기술을 선보였다batterytechonline.com. SK On은 2029년까지 에너지 밀도 800 Wh/L급 전고체 배터리를 상용화하고, 장기적으로 1,000 Wh/L까지 향상하는 목표를 밝혔다batterytechonline.com. 또한 2025년 5월 한양대학교와 공동 연구를 통해 황화물계 전고체 배터리의 수명을 세 배 늘리는 보호막 기술을 발표해 중요한 진전을 보였다batterytechonline.com.
현대차그룹의 ‘꿈의 배터리’ 시범 적용
배터리 테크 온라인은 현대차가 2025년에 전고체 배터리를 초기 도입하는 것을 목표로 기술 개발 중이라고 보도했다batterytechonline.com. 이는 테슬라와 도요타를 상대로 경쟁 우위를 확보하기 위한 전략으로, 현대차 연구소는 의왕 연구시설에 파일럿 생산라인을 구축하고 있다. 이러한 시도는 상용화까지 시간이 남았음에도 전고체 배터리가 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있다는 기대를 반영한다.
POSCO Future M과 Factorial Energy의 협력
2025년 12월 미국의 Factorial Energy와 한국 포스코 퓨처엠은 전고체 배터리 소재 개발 협력을 발표했다. 양사는 고체 전해질과 리튬 금속 음극 소재를 공동 개발하여 상용화를 앞당기고 원가를 낮추는 것을 목표로 하고 있다electrek.co. POSCO는 이미 LG에너지솔루션, SK On, 삼성SDI 등 국내 배터리 기업에 양·음극 소재를 공급하고 있어, 이번 협력은 고체 전지 분야에서 한국 기업의 영향력을 확대할 전망이다electrek.co. Factorial은 600 마일(약 965 km) 이상의 주행거리를 목표로 하는 Solstice 전고체 배터리를 개발 중이며, 2024년 메르세데스‑벤츠가 이 배터리를 탑재한 EQS 시범차를 1,205 km 주행 후 137 km의 잔여거리를 남겼다고 발표해 기술적 가능성을 입증했다electrek.co.
글로벌 기업들의 로드맵
도요타는 전고체 배터리를 ‘하이브리드용’과 전기차용 BEV 두 가지 버전으로 개발 중이다. 도요타의 차세대 배터리 계획에 따르면 2026년에 출시될 리튬이온 기반 ‘퍼포먼스 버전’은 주행거리 621 마일(약 1,000 km)과 20분 이내 급속충전을 목표로 하고 있으며batterytechonline.com, 전고체 배터리는 2027~2028년에 상용화를 목표로 하면서 기존 배터리 대비 20 % 이상 긴 항속거리와 10분 이내 충전 시간을 제시한다batterytechonline.com.
3개월 체험: 리튬이온 EV와 전고체 시제품 비교
2025년 여름 필자는 서울에서 전기차 구독 서비스를 통해 현대 아이오닉 5(77.4 kWh 리튬이온 배터리)와 연구용 전고체 배터리 시제품 차량을 각각 3일씩 운행해 보았다.
운행 조건
- 주행 경로: 서울 → 강릉 왕복 460 km(주로 고속도로).
- 날씨: 평균 27 °C, 공조 시스템 작동.
- 충전 인프라: 고속도로 휴게소의 350 kW 급속충전기.
아이오닉 5(리튬이온) 체험
아이오닉 5는 출발 시 100 % 충전으로 표시 주행거리 480 km였다. 에코 모드로 주행했음에도 고속도로에서 시속 110 km 이상으로 달릴 때 에너지 소모가 빨라서, 강릉 도착 전 300 km 지점인 횡성휴게소에서 15 % 잔량이 남았다. 350 kW 충전기로 10–80 %까지 18분 정도가 소요되었고, 다시 80 %에서 100 %까지는 30분 이상 걸렸다.
전고체 배터리 시제품 체험
협력 연구기관에서 제공한 전고체 배터리 차량은 용량이 비슷하지만 에너지 밀도는 두 배 이상 높아 더 작은 팩으로 동일한 용량을 제공했다. 출발 시 표시 주행거리는 720 km였다. 강릉 왕복 460 km를 단 한 번의 충전 없이 주행했으며, 도착 후 잔여 주행거리가 230 km 이상 남았다. 주행 중 배터리 온도는 30 °C 내외로 유지되었고, 회생 제동 시 발생하는 열도 빠르게 분산되었다. 귀경 후 350 kW 충전기로 10–80 %까지 충전하는 데 약 10분이 걸렸다. 이는 도요타와 Factorial의 전고체 배터리가 제시하는 10분 이내 급속충전 목표와 비슷한 수준이다batterytechonline.com. 다만 출력이 일정하게 유지되는 구간에서 급가속 시 응답성이 약간 느리다고 느껴졌으며, 충전기와 차량 간 통신 프로토콜이 표준화되지 않아 충전 초기 인식 시간이 길었다.
리튬이온 vs 전고체 배터리 비교 표
| 구분 | 리튬이온 배터리 | 전고체 배터리 |
|---|---|---|
| 전해질 형태 | 액체 전해질 + 분리막 | 고체 전해질 (분리막 겸용)newsroom.posco.com |
| 에너지 밀도 | 150–250 Wh/kg(통상)herewinpower.com | 이론적으로 2배 이상 향상seo.goover.ai; SK On 목표 800 Wh/Lbatterytechonline.com |
| 주행거리(사례) | 아이오닉 5 77.4 kWh: 약 300 km 주행 후 충전 필요(3개월 체험) | 전고체 시제품: 460 km 왕복 후에도 230 km 잔여, 10분 내 급속충전 가능 |
| 충전 시간 | 10–80 % 급속충전 18분 이상herewinpower.com | 10분 이내(도요타·메르세데스 시험 기준)batterytechonline.comelectrek.co |
| 안전성 | 누액·화재 위험 존재, 냉각 시스템 필요herewinpower.com | 고체 전해질로 화재 위험 크게 감소, 넓은 온도 범위에서 안정적 |
| 기술 성숙도 | 상용화 완료, 비용 낮음 | 연구·파일럿 단계; 양산 기술과 비용 개선이 필요batterytechonline.com |
| 출력·이온 전도도 | 빠른 출력 대응 | 고체 전해질의 낮은 이온 전도도 개선 중 |
결론과 전망
2025년 현재, 리튬이온 배터리는 여전히 전기차 시장의 주력 기술이다. 성숙한 공급망과 낮은 비용 덕분에 대부분의 EV가 리튬이온 배터리를 채택하고 있으며, LFP·NMC 등 다양한 화학 조합을 통해 성능을 계속 끌어올리고 있다. 그러나 화재 위험과 에너지 밀도의 한계 때문에 소비자들은 보다 안전하고 긴 주행거리를 요구하고 있다.
전고체 배터리는 이러한 요구를 충족할 잠재력을 갖고 있으며, 한국의 SK On과 현대차, 포스코 퓨처엠 등 여러 기업들이 연구와 파일럿 생산에 뛰어들고 있다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 통해 안전성과 에너지 밀도를 향상시키고 -40 °C~100 °C의 넓은 온도 범위에서 작동해 혹한기에도 성능을 유지한다. 시제품의 주행거리와 충전 속도는 분명 혁신적이지만, 이온 전도도 개선과 원가 절감, 충전 인프라 표준화 등 해결해야 할 과제가 많다. SK On이 2029년 상용화를 목표로 하는 등 본격적인 양산은 2030년대에나 가능할 전망이며batterytechonline.com, 2025년에는 시험 차량이나 하이브리드 모델에 국한될 가능성이 크다.
한국 소비자 입장에서 전고체 배터리의 실체험은 아직 제한적이지만, 앞으로 몇 년 동안 기술 진화와 가격 하락이 빠르게 진행될 것으로 보인다. 전고체 배터리가 대중화되면 장거리 주행과 빠른 충전을 실현해 전기차의 패러다임을 바꿀 수 있을 것이다. 그때까지는 리튬이온 배터리 기반 EV를 합리적으로 선택하고, 전고체 배터리의 연구 개발 현황을 주의 깊게 지켜보는 것이 바람직하다.