[K-TECH 글로벌 리더스] 〈SK그룹②〉 배터리 판 뒤집는 ‘SK온’… 전기차·ESS·방산 영역 확장

SK가 인공지능(AI) 혁명의 파도를 타고 반도체 사업에서 역대급 수익성을 기록하며 새로운 전성기를 맞이했습니다. 특히 AI 서버의 필수 부품인 고대역폭메모리(HBM) 시장에서의 압도적인 주도권을 바탕으로 연간 실적의 새 역사를 썼으며, 매출 또한 사상 최대치를 경신하며 ‘메모리 강자’의 위상을 공고히 했습니다. 리밸런싱을 마친 SK그룹은 이제 글로벌 AI 설루션 전반을 아우릅니다. 반도체 부품 공급자를 넘어 글로벌 AI 생태계 설계자로 거듭난 SK그룹의 행보를 짚어봤습니다.

지난 12일 1조 원대 규모의 기후에너지환경부 제2차 에너지저장장치(이하 ESS) 중앙계약시장에서 SK온이 시장의 예상을 뒤엎는 성과를 거뒀습니다. 지난해 1차 입찰에서 단 한 곳의 사업도 수주하지 못했던 SK온은 이번 입찰에서 전체 물량의 절반을 넘는 물량을 확보하며 단숨에 최대 수혜자로 부상했습니다. 배터리 업계 안팎에서는 판이 뒤집힌 결과로 평가됩니다.

이번 성과는 SK온이 ESS(Energy Storage System) 배터리 사업에서 전략적 전환점을 마련했다는 점에서 의미가 큽니다. 그동안 전기차 배터리에 주력해 온 SK온이 국내 ESS 시장을 발판으로 리튬인산철(LFP) 배터리 양산 체제를 본격 구축하고, 이를 통해 수익 구조 개선과 포트폴리오 다변화를 동시에 도모할 수 있는 계기를 확보했기 때문입니다.

ESS는 생산된 전력을 저장장치에 저장했다가 전력이 필요한 시기에 공급해 에너지 효율을 높이는 시스템입니다. ESS는 배터리, 전력변환장치(PCS), 에너지관리시스템(EMS)으로 구성됩니다. 산업용·가정용·전기차 충전용 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 전기가 남는 시간대에 저장했다가 전력이 부족하거나 요금이 비싼 시간대에 방전함으로써 전력망 부담을 줄이는 역할을 수행합니다.

SK온은 이번 입찰 과정에서 국산 소재를 활용하고 국내에서 ESS용 LFP 배터리를 생산하겠다는 계획을 제시했습니다. 정부의 핵심 평가 항목인 ‘산업·경제 기여도’와 ‘화재 및 설비 안전성’ 부문에서 경쟁사 대비 우위를 확보한 것으로 분석됩니다. 가격 경쟁 중심의 기존 ESS 시장 구도에서 벗어나, 공급망 안정성과 국내 산업 파급 효과를 앞세운 전략이 정책 방향과 맞아떨어졌다는 설명입니다.

이번에 SK온은 전체 565메가와트(MW) 가운데 284MW를 수주해 점유율 50.3%를 기록했습니다. 전남 6개 지역과 제주 1개 지역 등 총 7개 사업지 가운데 3곳에 배터리를 공급하게 됩니다. 이는 지난해 1차 입찰에서 수주 실적이 전무했던 것과 비교하면, 불과 1년 만에 시장 판도를 바꾼 성과로 평가됩니다.

이를 계기로 SK온은 충남 서산 2공장 일부 생산 라인을 ESS용 LFP 배터리 생산 라인으로 전환해 올해 하반기부터 연간 3기가와트시(GWh) 규모의 양산 체제를 구축할 계획입니다. 여기에 더해 향후 추가 수주 결과에 따라 생산능력을 최대 6GWh까지 확대하는 방안도 내부적으로 검토하고 있는 것으로 알려졌습니다. 일각에서는 이번 입찰 결과가 국내 ESS 배터리 공급망 재편의 신호탄이 될 수 있다는 관측도 나오고 있습니다.

전기차 수요 정체가 장기화하면서 배터리 업계에 ESS 사업의 전략적 중요성은 더욱 커지고 있습니다. 전기차용 배터리 수요 증가 속도가 둔화하는 상황에서 ESS가 새로운 성장의 축이자 실적 방어를 위한 수단으로 부상하기 때문입니다. 이에 따라 주요 배터리 업체들은 ESS 사업 확대를 통해 포트폴리오 다변화에 속도를 내고 있습니다.

LG에너지솔루션은 올해 ESS용 배터리 수주 목표를 지난해보다 확대해 90기가와트시(GWh) 이상으로 설정했습니다. 삼성SDI 역시 올해 ESS 부문 매출을 전년 대비 50% 이상 늘린다는 목표를 세웠습니다. SK온도 ESS 사업을 차세대 성장 동력으로 삼고 연간 20GWh 이상의 수주를 달성하겠다는 계획을 밝힌 바 있습니다.

미국 조지아주 SK온 배터리 공장.

SK온 2021년 본격 출범
1990년대 초 배터리 연구

SK온은 2021년 SK이노베이션이 배터리 사업과 석유개발(E&P) 사업을 물적분할하며 공식 출범한 배터리 전문 기업입니다. SK이노베이션은 같은 해 8월 이사회에서 분할을 의결하고, 9월 임시 주주총회에서 80.2%의 찬성률로 이를 확정했습니다. 이후 배터리 사업 법인 ‘SK온’과 석유개발 법인 ‘SK어스온’이 출범했으며, SK이노베이션은 두 회사를 100% 자회사로 두고 있습니다.

SK온은 ‘켜다’와 ‘계속된다’는 의미를 동시에 담고 있습니다. SK이노베이션은 배터리 사업을 통해 전동화 시대의 핵심 역할을 수행하고, 글로벌 1위 기업으로 도약하겠다는 의지를 반영한 사명이라고 설명했습니다.

SK온은 1990년대 초 배터리 연구를 시작해 SK이노베이션 배터리 사업부로 성장한 뒤, 2017년 이후 본격적인 투자를 통해 매년 두 배 이상의 매출 성장세를 기록하며 몸집을 키워왔습니다. 분사를 계기로 SK온은 2030년 글로벌 선두 배터리 기업 도약을 목표로 생산능력 확대 전략을 추진하고 있습니다.

고체 배터리로 ‘안전·출력’ 한계 돌파

전기차 배터리 시장의 기술 경쟁은 그 어느 때보다 치열해지고 있습니다. 자동차 제조사와 배터리 업체 모두 주행거리와 충전 속도뿐 아니라 무엇보다 안전성과 원가 개선을 핵심 과제로 삼고 있습니다.

SK온은 이러한 시장 변화에 대응하기 위해 안전성과 원가라는 두 가지 과제를 동시에 해결하는 기술 개발에 속도를 내고 있습니다. 회사는 ‘안전성’을 강화하기 위한 ▲고체 배터리 ▲열확산 방지 솔루션과, ‘가격 경쟁력’을 확보하기 위한 ▲건식 전극 ▲셀투팩(CTP)을 4대 핵심 연구개발 과제로 선정하고 전사적으로 역량을 집중하고 있습니다.

SK온은 고분자-산화물 복합계 배터리를 중심으로 고체 배터리 상용화 연구를 진행하고 있습니다. 이 복합계 배터리는 고분자 전해질과 산화물 전해질을 결합한 구조로, 기존 단일 고체 전해질 대비 이온 이동이 원활하다는 특징을 갖고 있습니다. 동시에 내열성과 화학적 안정성을 확보할 수 있어 화재 위험을 줄이는 데 유리합니다.

해당 기술은 전고체 배터리로 가는 중간 단계 성격을 띠며, 기존 리튬이온 배터리 생산 공정과의 호환성이 높다는 점에서도 의미가 있습니다. 새로운 설비를 대규모로 구축하지 않고도 단계적으로 적용이 가능해, 기술 상용화 과정에서 비용 부담을 줄일 수 있다는 평가입니다. SK온은 이를 토대로 궁극적으로 황화물계 전고체 배터리 개발을 목표로 하고 있습니다.

황화물계 전고체 배터리는 100% 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리입니다. SK온은 우선 에너지 밀도 800Wh/ℓ 수준의 상용화를 목표로 개발을 진행 중입니다. 이후 1000Wh/ℓ까지 에너지 밀도를 끌어올린다는 계획입니다. 이를 통해 동일한 부피에서 더 많은 에너지를 저장하고 주행거리를 대폭 늘리는 것이 목표입니다.

SK온은 2025년 하반기 대전 미래기술원에 약 4600㎡ 규모의 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 완공했으며, 이 시설을 통해 양산 공정 검증과 소재·공정 최적화를 병행하고 있습니다. 전고체 배터리의 상용화 목표 시점은 2029년으로 설정하고 있습니다.

열확산 방지 설루션 안전사고 선제 차단

배터리는 수백 개의 셀이 모여 하나의 팩(Pack)을 구성합니다. 각 셀에서 전기화학 반응이 일어나며 열이 발생하는데 특정 셀에서 발생한 열이 주변 셀로 전이되면 연쇄적인 온도 상승이 일어날 수 있습니다. 이를 ‘열확산(Thermal Propagation, TP)’이라고 하며 화재 사고의 주요 원인으로 지목됩니다.

SK온은 이러한 위험을 줄이기 위해 다양한 열확산 방지 솔루션을 적용하고 있습니다. 하부 냉각 방식은 냉각수가 배터리 하단을 흐르며 셀에서 발생한 열을 흡수하는 구조로, 차량 설계를 크게 변경하지 않고도 적용할 수 있다는 장점이 있습니다.

액침 냉각 방식은 셀을 절연유에 직접 담가 열을 제거하는 방식입니다. 자체 실험 결과, 하부 냉각 대비 열 제어 성능이 2배 이상 높은 것으로 나타났습니다. 열 제거 속도가 빠르고, 특정 셀에서 발생한 열이 주변으로 확산되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다는 점에서 안전성이 크게 향상됩니다.

대면적 냉각 방식은 셀 전체 표면을 냉각판이 감싸는 구조로 냉각 면적을 극대화해 열 억제 성능을 높입니다. 이 방식은 하부 냉각 대비 약 3배 수준의 열 억제 효과를 나타내는 것으로 평가됩니다.

SK온은 파우치형 셀에 대면적 냉각 기술을 업계 최초로 적용했습니다. 여기에 모듈을 생략한 셀투팩 구조를 결합함으로써 냉각 효율과 구조적 안정성을 동시에 끌어올렸습니다.

건식 전극으로 생산 효율·친환경 실현

SK온은 건식 전극 기술을 통해 제조 공정 혁신도 추진하고 있습니다. 기존 습식 공정은 용매를 사용해 활물질을 슬러리 형태로 만든 뒤 금속박에 도포·건조하는 방식입니다. 이 과정에서 대규모 건조 설비와 에너지 사용이 필수적입니다.

건식 전극 공정은 용매를 사용하지 않고 활물질을 고체 파우더 상태로 제조해 금속박에 코팅·압착하는 방식입니다. 이를 통해 건조 공정이 필요 없어 에너지 사용량이 크게 줄어들고, 공정 시간도 단축됩니다. 동시에 고로딩(High-loading) 전극 제작이 가능해 단위 면적당 저장할 수 있는 에너지량을 늘릴 수 있다는 장점이 있습니다.

다만 기술 난도가 높아 균일한 코팅과 밀도를 확보하기 위한 정밀 공정 제어가 요구됩니다. 상용화에 성공할 경우 원가 절감과 탄소 배출 저감 효과를 동시에 기대할 수 있어 차세대 핵심 제조 기술로 평가받고 있습니다.

SK온 Advanced SF 배터리.

셀투팩(CTP) 혁신으로 용량·부피 극대화

셀투팩(CTP)은 셀을 모듈 없이 바로 팩에 통합하는 구조로, 배터리 내부 공간 활용률을 극대화하는 설계 방식입니다. 모듈이 차지하던 구조물을 줄여 동일한 부피에서 더 많은 셀을 배치할 수 있고, 그만큼 에너지 밀도와 주행거리를 늘릴 수 있습니다.

SK온은 파우치형 셀 기반의 셀투팩 기술 개발에 주력하고 있습니다. 알루미늄 파우치 필름을 적용해 경량화와 공간 활용성을 높였으며 셀 사이 단열재 대신 냉각판을 배치해 열을 직접 제어하는 구조를 채택했습니다. 이 방식은 공간 효율을 높이면서도 열확산을 억제할 수 있는 장점이 있습니다.

특히 SK온은 대면적 냉각 기술을 적용한 파우치형 셀투팩을 업계 최초로 구현했습니다. 이를 통해 배터리 팩의 냉각 성능과 내구성을 동시에 향상시켰습니다. 구조 단순화에 따른 원가 절감 효과도 기대하고 있습니다.

SK온은 “안전성과 가격 경쟁력을 동시에 확보하기 위해 4대 핵심 연구개발 과제에 역량을 집중하고 있다”며 “고체 배터리와 열확산 억제 기술로 배터리 안전성을 강화하고, 건식 전극과 셀투팩 등 혁신 제조 기술을 통해 시장 경쟁력을 끌어올릴 계획”이라고 자신했습니다.

방산 분야로 차세대 배터리 수요처 선점

이와 함께 SK온은 방산 분야를 차세대 배터리 수요처로 설정하며 고객 포트폴리오 다변화에 속도를 내고 있습니다. 전기차 중심의 사업 구조에서 벗어나, 고신뢰·고안전이 요구되는 군수 및 무인체계 시장으로 공급 영역을 확장해 중장기 성장 동력을 확보하려는 전략으로 풀이됩니다.

최근 SK온은 미국의 한 방산업체와 인공지능(AI) 기반 무인 잠수정(UUV)에 적용할 배터리 공급 방안을 논의 중인 것으로 전해졌습니다. 유럽의 글로벌 방산기업 가운데 한 곳도 수직이착륙(e-VTOL) 기체와 헬리콥터, 화물기 등에 탑재할 배터리 공급 가능성을 타진한 것으로 알려졌습니다.

SK온 서산 공장.

방산용 배터리는 일반 상업용 배터리와 요구 조건이 뚜렷하게 구분됩니다. 무인 잠수정과 무인 차량, 항공 플랫폼은 작전 반경과 체공 및 운용 시간을 늘리기 위해 높은 에너지 밀도가 필수적입니다. 급가속과 기동, 각종 장비 구동을 위한 순간 출력도 동시에 요구됩니다. 여기에 군 운용 특성상 충격과 진동, 극한 온도 변화 등 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동해야 한다는 점에서 안전성과 신뢰성 검증이 핵심 요소로 꼽힙니다.

이 때문에 방산용 배터리는 단기간 양산보다는 장기적인 기술 검증과 신뢰 확보가 관건으로 평가됩니다. 업계에서는 SK온이 단기적으로는 고에너지 밀도를 강점으로 하는 울트라 하이니켈 삼원계 배터리를, 중장기적으로는 전고체 배터리를 방산 분야의 유력한 공급 후보로 검토할 가능성이 크다고 보고 있습니다. 실제 공급 시점은 각종 시험과 평가를 거쳐 이르면 2028년 이후 가시화될 전망입니다.

SK온은 이미 방산 무인 플랫폼 분야에서 적용 사례를 확보한 상태입니다. 현대로템의 차세대 다목적 무인 차량 프로그램에 배터리 셀을 공급하고 있으며, 현대로템은 이를 기반으로 모듈과 팩을 제작해 무인 차량에 탑재한 뒤 실증 테스트를 진행 중인 것으로 알려졌습니다. 현대로템은 ‘HR-셰르파’ 등 무인 차량 라인업에 AI 기반 자율주행과 군집 제어 기술을 적용하는 방향으로 무인화 역량을 고도화하고 있습니다.

SK온이 방산 시장에서 추가 고객 확보에 나설 수 있는 배경으로는 전고체 배터리 관련 기술 역량이 꼽힙니다. 방산 무인체계는 제한된 공간에서 높은 에너지와 출력을 동시에 요구하면서도 안전성 기준이 엄격해, 전고체 배터리가 상용화될 경우 적용 범위가 크게 확대될 수 있다는 평가입니다.

SK온은 전고체 배터리 상용화 목표 시점을 2029년으로 제시하고, 대전 미래기술원 내 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 구축해 황화물계 전고체 배터리와 리튬 메탈 배터리 개발을 진행하고 있습니다. 미국 솔리드파워와의 협력을 통해 셀 설계와 공정 기술을 연구개발에 활용하고, 황화물계 고체전해질을 공급받는 방식으로 개발 속도를 높이고 있습니다.

Q&A로 정리한 SK온.

Q1. SK온 배터리 사업 전략은 무엇입니까.
SK온은 전기차 배터리 중심의 사업 구조에서 벗어나 ESS 및 방산 분야로 응용 시장을 확장하고 있습니다. 이는 전기차 수요 성장 둔화에 대비해 동일한 배터리 핵심 기술(에너지 밀도, 열관리, 신뢰성)을 기반으로 수요처를 다변화하는 전략입니다. 전기차·ESS·방산을 아우르는 다축 포트폴리오 구축을 통해 중장기 수익 안정성을 확보하려는 방향으로 해석됩니다.

Q2. 전기차 배터리 핵심 기술의 경쟁 요소는.
전기차 배터리는 ▲에너지 밀도(주행거리) ▲출력 성능(가속·응답성) ▲충전 속도 ▲안전성이 핵심 경쟁 요소입니다. SK온은 고체 배터리 및 열확산 방지 솔루션을 통해 안전성과 출력 안정성을 강화하고, 셀투팩(CTP)과 건식 전극 기술로 시스템 효율과 원가 경쟁력을 동시에 개선하는 전략을 추진하고 있습니다. 이는 차량 성능과 직결되는 기술 요소를 구조적으로 개선하려는 접근으로 평가됩니다.

Q3. 전기차용 배터리 기술이 ESS 시장으로 확장될 수 있었던 이유는.
전기차 배터리에서 요구되는 고에너지 밀도 설계, 열관리 기술, 장수명 제어 기술이 ESS에도 그대로 적용 가능하기 때문입니다. 특히 SK온은 국산 소재 기반의 LFP 배터리 생산과 국내 제조 체계를 강조해, 정책적 평가 항목인 산업 기여도와 안전성을 동시에 충족시켰습니다. 이는 전기차용 배터리에서 축적한 품질 관리와 공정 기술이 ESS 시장에서도 경쟁력으로 전환됐다는 점을 보여줍니다.

Q4. 전기차 배터리 기술이 방산 무인체계에 적합한 이유는 무엇입니까.
방산 무인체계는 제한된 중량과 공간에서 최대 운용 시간을 확보해야 하므로 전기차 배터리와 동일하게 높은 에너지 밀도와 출력 성능이 필수적입니다. 또한 충격, 진동, 온도 변화 등 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동해야 하는데, 이는 전기차 배터리에서 축적된 열확산 억제 기술과 셀 안전 설계 기술이 직접적으로 활용될 수 있는 영역입니다. 전기차 배터리는 이미 대량 양산을 통해 신뢰성을 검증받은 기술이라는 점에서 방산 분야에서도 적용 가능성이 높습니다.

Q5. SK온의 중장기 기술 로드맵의 핵심은.
단기적으로는 하이니켈 삼원계 배터리를 통해 전기차 주행거리와 출력 성능을 강화하고, ESS용 LFP 배터리로 수익 구조를 보완하는 이원 전략을 추진합니다. 중장기적으로는 전고체 배터리를 상용화해 전기차 안전성과 에너지 밀도를 동시에 끌어올리고, 해당 기술을 ESS와 방산 플랫폼까지 확장 적용하는 것이 핵심입니다. 이는 전기차 배터리를 기술 축으로 삼아 응용 시장을 확장하는 전략으로, 기술 기반 성장 모델에 해당합니다.

정진수 기자 brjeans@donga.com