삼성전기 장덕현 사장은 2023년 주주총회에서 “고온에서 고체산화물로 만들 수 있는 기술을 보유하고 있다”며 소형 전고체전지 준비 사실을 밝혔다. 그런데 산화물계 고체전해질을 다루는 기업들이 공통으로 마주치는 벽이 있다 — 바로 계면 저항이다. 액체 전해질은 전극 표면의 미세한 틈까지 스며들지만, 고체와 고체가 만나면 물리적으로 완벽히 밀착하기 어렵다.
기본 원리
산화물계 고체전해질은 재료 안정성이 높고 다루기 쉽지만, 전극 재료와 고체전해질 사이의 계면 저항 문제가 크다는 게 업계의 공통된 평가다. 고체 입자들 사이에는 액체처럼 빈틈을 메울 수 있는 유동성이 없어서, 입자와 입자 경계에 미세한 공극이 남고 그 지점에서 이온 이동이 막힌다. 충방전이 반복되면 부피 변화로 이 공극이 더 벌어져 저항이 점점 커지는 악순환이 생긴다.
특허 관점
KR20130136150A(리튬금속배터리용 고체 고이온전도체 및 이를 이용한 리튬금속배터리)의 청구항 핵심은 고체 전해질을 기공 없이 치밀한 무공부(non-porous part)와, 그 양면에 접합되는 다공부(porous part)로 구성하는 구조다. 명세서는 “고체 전해질을 분말형태로 배터리 셀 내에 적용하면 고체 간에 높은 계면저항이 발생하는 문제가 있다”고 직접 지적하며, 전극 내부의 활물질-고체전해질 계면과 양극·음극 사이 계면 두 곳 모두에서 저항이 생긴다는 점을 배경기술로 짚는다. 치밀한 무공부가 이온이 새는 것을 막는 동시에, 다공부가 전극과의 접촉 면적을 넓혀 계면 저항을 낮추는 이중 구조가 이 특허의 요지다.
중국 체리자동차도 2026년 최근 황화물계 전해질 표면에 기능성 코팅층을 직접 도포하는 특허(공개번호 CN122348252A)를 출원했다. 고속 충전 시 리튬 이온이 계면을 통과하는 과정에서 물리적 경계면이 무너지며 효율과 수명이 급격히 떨어지는 문제를 코팅층으로 완화하려는 접근으로, 무공부/다공부 이중 구조와는 다른 각도지만 목표는 동일하게 계면 안정화다.
한계와 전망
2023년 5월 기준 전고체 배터리 핵심기술 글로벌 특허 출원은 2만798건에 달하고, 도요타가 최다 보유 기업으로 꼽힌다. 그런데도 계면 저항 문제는 여전히 상용화의 최대 병목으로 남아 있다는 게 업계 중론이다. 재료 조성 특허만큼이나, 앞으로는 계면을 물리적으로 다루는 구조 설계 특허의 비중이 계속 늘어날 가능성이 크다.
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