고체 전지가 미래 전기차를 위한 현실에 점점 가까워지고 있다

광범위하게 사용되는 리튬 이온 배터리의 가장 견고한 대안으로, 안전성 향상, 에너지 밀도 증가, 수명 연장, 빠른 충전 등의 이점을 갖춘 것이 이제 곧 등장합니다.

이 유망한 대안은 고체 전지(SSB)이며, 액체 전해질을 고체 전해질로 대체함으로써 화재 위험을 없애고 보다 컴팩트한 설계를 가능하게 하며, 또한 열화되기 전까지 더 많은 충전 사이클을 지원합니다.

최근 캘리포니아 대학교의 연구¹는 이 기술을 검토하고 전기차뿐만 아니라 소비자 전자제품 및 에너지 저장까지 변혁시킬 수 있다고 밝혔습니다. 모든 것의 핵심은 화학과 엔지니어링입니다.

“액체를 제거하고 안정적인 고체 물질을 사용함으로써, 과열이나 화재 위험 없이 한 번에 더 많은 전기를 배터리에 안전하게 주입할 수 있습니다.”

– 공동 저자 Cengiz Ozkan, UCR 기계공학 교수

전통적인 리튬 이온 배터리의 액체와 달리, 시간이 지나면서 열화되고 화재 위험을 초래하며 충전 속도를 제한하는 반면, 고체 전지에 사용되는 고체 물질은 보다 안정적이고 안전한 환경을 제공하여 안전 문제를 최소화하면서 효율적인 충전을 가능하게 합니다.

현재 리튬 이온 배터리보다 우수한 특성을 가진 고체 전지는 기업들 사이에서 큰 관심을 받고 있지만, 아직까지는 기술이 개발 단계에 머물러 있습니다. 하지만 머지않아 상황이 바뀔 것입니다.

실제 검증: 전기차에서 고체 전지 (QS/VW 데모)

이번 주에 고체 전지 개발업체 QuantumScape (QS ),와 비즈니스 파트너 PowerCo는 에너지 밀도가 높은 고체 리튬‑메탈 배터리로 차량에 전력을 공급하는 실시간 시연을 진행했습니다.

PowerCo는 세계적인 자동차 제조업체이자 유럽 최대 자동차 제조업체인 폭스바겐 그룹의 배터리 사업부입니다. VW는 Audi, Bentley, CUPRA, Ducati, Lamborghini, Porsche, SEAT, Škoda와 같은 브랜드를 보유하고 있습니다. 이 회사는 또한 MAN 및 Scania와 같은 경·중상용차를 생산하며, CARIAD는 폭스바겐 그룹 전 차량을 위한 소프트웨어 및 기술 부문입니다.

VW 그룹과 PowerCo는 QuantumScape의 고체 전지 기술에 장기 투자해 왔으며 수년간 프로토타입 셀을 테스트해 왔습니다.

이제 처음으로 QuantumScape, PowerCo, 그리고 폭스바겐 그룹은 세계 최대 규모의 모빌리티 박람회 중 하나인 독일 뮌헨의 IAA Mobility에서 새로운 기술을 선보였습니다.

차량에 씌워진 검은 시트를 제거하자, 그들은 QSE-5 고체 전지로 완전히 구동되는 개조된 전기 Ducati V21L 레이스 오토바이를 공개했습니다.

오토바이에 사용된 고체 전지는 QuantumScape의 독점 제조 플랫폼(코브라 생산 공정)으로 조립되었으며, 이는 더 빠른 열처리를 가능하게 하고, 차지 면적을 줄이며, 일부 소재 공정을 없앱니다. 한편, 최초의 배터리 시스템은 Audi 전문가들이 QS 고체 전지 셀 전용으로 설계했습니다.

이번 시연은 참여 기업들뿐만 아니라 전기차(EV) 분야에도 큰 성과를 의미합니다. 이는 QuantumScape의 양극 프리 셀이 제조 공장에서 실제 차량으로 처음 이동해 전 세계에 공개된 사례이기 때문입니다.

“오늘 우리는 가능성에서 현실로의 경계를 넘었습니다.”

– QuantumScape CEO 겸 사장 Dr. Siva Sivaram

그는 PowerCo와의 파트너십이 QuantumScape가 변혁적인 기술을 기가와트시(GWh) 규모로 확장할 수 있게 하며, 함께 전동화된 교통의 새로운 시대를 열 것이라고 언급했습니다.

공식 발표에 따르면, QS 고체 리튬‑메탈 배터리가 전기차에 전력을 공급한 세계 최초 실시간 시연은 배터리 기술의 중요한 진보이며 고체 전지 전기차 상용화에 큰 발걸음이 됩니다.

이 기술을 통해 EV 혁신을 촉진하는 것이 목표이며, PowerCo CEO Frank Blome은 이를 “자동차 산업이 겪은 가장 큰 변혁”이라고 말했습니다.

SSB는 고성능 프리미엄 차량이 가능하게 할 수 있는 범위를 재정의할 것이며, 이번 시연은 그 시작에 불과하다고 그는 덧붙였습니다.

QuantumScape의 프로토타입에서 생산까지 로드맵

전통적인 리튬 이온 배터리가 휴대용 전자기기, 전기차, 재생 에너지 그리드가 보편화되고 요구가 커짐에 따라 가능한 에너지 밀도와 안전성의 한계에 다다른 상황에서, QuantumScape는 더 높은 에너지 밀도, 빠른 충전, 향상된 안전성을 제공하는 고체 전지로 전환하여 저탄소 미래로의 전환을 지원하고 있습니다.

현재 고체 전지 개발 글로벌 경쟁을 선도하고 있으며, 곧 완전한 고체 전지 셀을 대규모로 전기차 시장에 공급할 준비를 마쳤습니다.

최근 기술 시연은 50억 달러 시가총액 기업의 주가를 급등시켰습니다. 작성 시점에 QS는 주당 8.85달러에 거래되고 있으며 연초 대비 무려 70.52% 상승했지만, 2020년 말에 기록한 사상 최고가인 132.73달러에는 아직 미치지 못합니다.

QuantumScape의 EPS(TTM)는 -0.91이며 P/E(TTM)는 -9.76입니다.

재무 전망에 대해 보면, 2025년 2분기에 830만 달러의 자본 지출을 보고했으며, 이는 주로 시설 및 장비 구매를 지원하기 위한 것으로, QuantumScape는 이 기간 동안 고용량 QSE-5 B1 샘플 생산을 준비했습니다.

GAAP 운영비용은 1억 2,360만 달러, GAAP 순손실은 1억 1,470만 달러, 조정 EBITDA 손실은 6,300만 달러였습니다.

회사는 7억 9750만 달러의 유동성을 보유한 채 분기를 마감했으며 현금 운용 기간 가이던스를 2029년까지 연장했습니다.

QuantumScape는 실제로 곧 샘플 셀을 테스트용으로 출하할 예정이며, 상업 생산은 제조 규모 확대와 규제 승인에 따라 향후 몇 년 내에 시작될 것으로 예상합니다.

QSE-5라는 B-샘플 셀은 QuantumScape가 계획한 최초의 상업용 제품으로, 비용 효율성, 에너지 밀도, 충전 속도, 안전성, 수명이라는 다섯 가지 핵심 배터리 성능 지표에서 뛰어나야 하는 전기차 부문의 요구를 충족하도록 설계되었습니다.

여기서 혁신은 양극이 없는 셀 설계로, 제조를 단순화하고 소재 비용을 낮추면서 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 고급 분리막과 결합된 이 설계는 QuantumScape에 안전성과 효율성 측면에서 이점을 부여합니다.

유기 분리막을 불연성·불연소성 고체 분리막으로 교체해 안전성을 높였으며, 동시에 흑연/실리콘 양극 호스트 소재를 없앰으로써 체적 및 중량 에너지 밀도를 증가시켰습니다.

QuantumScape는 QS 기술이 844 Wh/L의 에너지 밀도와 10C 연속 방전을 제공한다고 주장합니다. 또한, 리튬‑메탈 고체 전지는 10%에서 80%까지 충전하는 데 약 12분(12.2분)만 소요됩니다.

기술이 성공적으로 규모화된다면 차세대 전기차 및 기타 에너지 저장 솔루션의 표준이 될 수 있습니다. 이번 달 기술의 세계 최초 공개는 일련의 성과 뒤에 이어지는 그 목표를 향한 큰 이정표입니다.

QSE-5 규모 확대: 파일럿 라인에서 GWh 제조까지

QSE-5를 실제 전기차에 가능한 한 빨리 적용하기 위해 QuantumScape와 PowerCo는 현재 3년간 협력해 왔으며, 이 파트너십은 QuantumScape의 기술력과 PowerCo의 제조 전문성을 결합합니다.

몇 달 전, 양사는 전략적 파트너십을 확대해 QSE-5 배터리 개발을 가속화했으며, 현재 이 배터리는 QuantumScape의 산호세 파일럿 라인에서 제조되고 있어 고체 전지 기술 산업화에 큰 진전을 의미합니다.

이는 양사가 지난해 체결한 협약의 결과로, QuantumScape는 PowerCo에 고체 전지 기술을 대량 생산할 수 있는 비독점 라이선스를 부여했습니다.

이를 통해 PowerCo는 기존에 합의된 연간 40 GWh에 추가로 연간 최대 5 GWh의 QSE-5 기반 셀을 생산할 수 있으며, 옵션을 통해 80 GWh까지 확대할 수 있습니다. 이 확대된 생산능력은 연간 약 백만 대의 전기차에 고체 전지 기술을 적용하기에 충분하다고 전해집니다. 또한 이 협약은 향후 QS 기술 중 일부를 라이선스할 권리도 부여합니다.

그 결과 PowerCo는 향후 2년간 추가로 1억 3100만 달러를 투자하여 QuantumScape가 QSE-5 셀을 우선 생산하도록 지원합니다. 이 자본은 QS가 제조 규모를 확대하고 배터리 회사에 고용량 프로토타입 셀을 공급하는 데 도움이 됩니다.

QS는 2022년 12월에 최초로 24층 고체 전지를 폭스바겐 그룹에 테스트용으로 제공했습니다. 그 다음 해에는 테스트 중 성능 목표를 초과했다고 보고했으며, 지난해 초 PowerCo도 QS 셀에 대한 자체 내구성 테스트를 수행하고 ‘매우 고무적인 결과’를 발표했습니다.

폭스바겐 그룹 배터리 부서는 QS의 고체 전지 셀이 1,000회 이상의 충전 사이클을 거쳐 95% 이상의 용량을 유지한다는 것을 확인했습니다.

이 테스트는 독일 PowerCo의 잘츠기터 배터리 연구소에서 수행되었으며, WLTP 기준 500~600km(311~373마일) 주행 거리의 전기차에 QS 셀을 장착했을 때 약 50만 km(310,000마일 이상) 주행해도 주행 거리가 감소하지 않는 것으로 나타났습니다.

이러한 인상적인 결과를 바탕으로 폭스바겐은 “자동차 산업의 글로벌 기술 주도 기업”이 되기를 목표로 하지만, 상용 가능한 솔루션을 상업화하기까지는 아직 갈 길이 멀다.

최근 유망한 시연에도 불구하고 이는 이번 십년의 나머지 기간이 걸릴 수 있습니다. 이는 IAA Mobility에서 선보인 최초 전기 오토바이가 고체 전지의 요구에 맞게 배터리 시스템을 대대적으로 개조했으며, Ducati에 최대 980개의 QSE-5 셀을 장착할 수 있게 했기 때문입니다.

그럼에도 불구하고 폭스바겐은 이를 지속할 의지를 밝히며, 기술 담당 그룹 이사회 멤버 Thomas Schmall는 “양산을 향한 다음 단계”를 진행할 것이라고 말했습니다. 폭스바겐의 통합 셀 개념이 이미 QS 셀에 적합하므로 이제는 제조 공정을 정교화하고 규모를 확대하는 데 초점을 맞출 것입니다.

Schmall는 새로운 사내 통합 셀을 통해 “완벽한 조합”을 만들었으며, 이는 “고체 전지 준비가 완료된” 상태로 고체 전지가 준비되는 즉시 회사 차량에 빠르게 기술 이전이 가능하다고 언급했습니다.

VW, Cupra, Skoda의 차세대 소형 전기차에 debut할 준비가 된 통합 셀은 약 660 Wh/l의 에너지 밀도와 셀을 팩에 직접 장착하는 완전히 새로운 설계를 갖추고 있습니다.

행사에서 폭스바겐은 통합 셀이 향후 자체 전기차의 최대 80%에 사용될 것이라고 밝혔습니다. 셀 유형은 동일하게 유지되지만, 셀 화학은 다양해질 수 있어 LFP, 나트륨 이온, NMC, 고체 전지 등 다양한 화학을 적용할 수 있습니다.

PowerCo와 QuantumScape는 현재 고체 전지 기술을 유닛 셀에 통합해 차량에 적용하는 작업을 진행 중이며, 동시에 레이스용 오토바이를 개발해 트랙 테스트를 진행할 예정입니다.

고체 전지 돌파구를 향한 글로벌 경쟁

폭스바겐은 고체 전지 기술을 선도하는 데 큰 진전을 보이고 있지만, 이 분야에서 혼자만의 노력은 아닙니다. 이번 주에 메르세데스-벤츠도 자체 기록을 발표했습니다.

‘소폭 개조된’ 메르세데스 EQS는 고체 전지 탑재로 한 번 충전으로 1,205km(748.7마일)를 주행했습니다. 독일 슈투트가르트에서 스웨덴 말뫼까지 이동한 후에도 137km(85.12마일)의 주행 거리가 남아 있었습니다.

이 새로운 기록은 Vision EQXX가 세운 이전 기록보다 3km 앞선 것입니다. 도로 테스트는 실제 도로에서 고체 전지 기술을 검증하기 위한 회사의 포괄적인 검증 프로그램의 일환이었습니다.

“고체 전지는 전동 이동성을 위한 진정한 게임 체인저입니다. EQS의 성공적인 장거리 주행을 통해 이 기술이 실험실뿐 아니라 도로에서도 성능을 발휘함을 보여줍니다. 우리의 목표는 이번 십년 말까지 이러한 혁신을 양산에 도입해 고객에게 새로운 수준의 주행 거리와 편안함을 제공하는 것입니다.”

– Markus Schäfer, 메르세데스‑벤츠 그룹 AG 경영이사회 멤버, 최고 기술 책임자, 개발 및 조달

배터리용으로 Factorial Energy (FAC ) 는 Factorial Electrolyte System Technology 기반의 리튬‑메탈 셀을 제공했습니다.
Swipe to scroll →

포르쉐가 소유한 크로아티아 기업 Rimac은 SSB가 출력 향상, 무게 감소, 현재 배터리의 주행 거리 문제를 해결할 수 있음을 보여주는 또 다른 사례입니다. 새로운 배터리는 Mitsubishi Chemical Group 및 ProLogium과 협력해 개발되었습니다.

2025년 뮌헨 IAA Mobility에서 발표된 바에 따르면, Rimac은 자체 pouch-cell SSB가 파운드당 1,000와트의 전력 밀도를 가지고, 무게는 847파운드이며, -20°C(-7°F)에서도 에너지의 95% 이상을 유지한다고 주장합니다.

기술 발전에 참여하고 있는 다른 기업 중에는 Toyota (TM )가 있으며, 2020년에 세계 최초 SSB 기반 프로토타입 전기차를 공개했지만, 몇 년 뒤에는 토요타 하이브리드가 EV보다 SSB를 탑재할 가능성이 더 높다고 밝혔습니다.

전 세계에서 가장 많이 판매되는 자동차 브랜드는 실제로 2027~2028년에 첫 고체 전지 대량 생산을 시작할 것으로 기대하고 있습니다. Toyota는 자체 고체 전지가 주행 거리를 20% 늘리고 10%에서 80%까지 10분 미만으로 충전할 수 있다고 주장합니다.

또한 Honda (HMC )는 이미 고체 전지 파일럿 생산 라인을 가동 중입니다. 일본 사쿠라에 위치한 이 시설에 자동차 제조업체는 약 430억 엔(약 2억 9천만 달러)을 투자해 차세대 전기차 배터리 개발을 지원하고 있습니다.

Honda에 따르면, 고체 전지는 현재 리튬 이온 배터리보다 잠재적으로 25% 저렴하고, 35% 가볍고, 50% 작을 수 있습니다. 일본 자동차 제조업체는 이번 십년 하반기에 전고체 배터리(ASSB) 대량 생산을 시작할 계획입니다.

시가총액 468억 달러 규모의 Ford (F )도 고체 전지를 적극 개발 중인 또 다른 자동차 제조업체입니다. SSB 개발을 위해 Ford는 스타트업 Solid Power와 파트너십을 맺었습니다.

이 회사는 2019년에 Solid Power에 최초 투자했으며, 2021년에 추가 지분 투자를 통해 기술 개발을 가속화했습니다. 해당 투자 라운드에 BMW Group도 참여해 Ford와 동등한 지분을 보유하게 되었습니다.

“고체 전지는 큰 가능성을 보여주고 있다”고 당시 자동차 제조업체는 언급하며, “오늘날의 리튬 이온 배터리 라인에서도 제작 가능해 Ford가 리튬 이온 제조 라인에 투자한 자본의 약 70%를 재활용할 수 있다”고 덧붙였습니다.

Ford 전기차 파트너 SK On도 여러 한국 대학 및 기관과 함께 이 기술을 연구하고 있습니다. 폴리머‑산화물 복합재와 황화물 기반 두 종류의 ASSB를 개발 중이며, 상용 프로토타입은 각각 2027년과 2029년에 출시될 예정입니다.

한편, 중국 기술 기업 Huawei는 질소 도핑 황화물 SSB 기반의 돌파구를 보고했습니다. 이는 400~500 Wh/kg의 에너지 밀도에 도달할 수 있으며, 이는 기존 리튬 이온 전기차 배터리보다 2~3배 높은 수치입니다.

Huawei의 고체 전지 전기차 배터리는 한 번 충전으로 최대 3,000km(1,864마일)의 주행 거리를 제공한다고 약속합니다. 또한 5분 이내에 완전 충전이 가능하다고 합니다.

최종 생각

고체 전지(SSB)는 전기차(EV), 소비자 전자제품 및 재생 에너지 시스템에 전력을 공급하는 방식을 혁신할 것으로 기대됩니다. 높은 에너지 밀도, 빠른 충전 속도, 뛰어난 안전성, 긴 수명을 갖춘 이들은 리튬 이온 기술의 이상적인 후계자가 됩니다.

하지만 업계 거대 기업들의 수십억 달러 투자에도 불구하고 여전히 큰 장애물이 남아 있습니다. 비용 절감, 제조 규모 확대, 도로에서의 장기 신뢰성 확보 등 여러 과제가 지속되고 있습니다. 따라서 고체 전지는 아직 대부분 개발 단계에 머물러 있으며, 대규모 실사용에 앞서 광범위한 테스트와 검증이 필요합니다.

하지만 최신 진전은 희망적인 모습을 보여줍니다. QuantumScape의 실시간 시연, PowerCo의 내구성 테스트, 메르세데스‑벤츠의 기록적인 장거리 주행은 업계가 이러한 장벽을 극복하는 데 점점 가까워지고 있음을 시사합니다.

따라서 파트너십이 확대되고 파일럿 생산 라인이 늘어나며 혁신적인 설계가 계속 등장함에 따라, 고체 전지는 이번 십년 안에 주류가 될 준비가 되어 있어 전동 이동성 및 지속 가능한 에너지 솔루션의 새로운 시대를 열어줄 것입니다.

최고의 고체 전지 주식 목록을 보려면 여기를 클릭하세요.

참고 문헌:

1. Shang, R., Nelson, T., Nguyen, T. V., Nelson, C., Antony, H., Abaoag, B., Ozkan, M., & Ozkan, C. S. (2025). 고체 리튬 배터리에 대한 포괄적 검토: 빠른 충전 특성 및 인‑오퍼라노 진단. Journal of Power Sources, (Version of Record), 2025년 6월 12일 출판. 2025년 2월 26일 접수; 2025년 4월 21일 수정; 2025년 6월 9일 승인. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.235056