Report - What we do -SNE Research

<2026> 이차전지 무음극(Anode free)기술개발 현황 및 전망

무음극(Anode-free/Anodeless) 전지는 셀 제조 시 흑연·Si 또는 Li metal foil과 같은 음극 활물질을 넣지 않고, 최초 충전 과정에서 양극에서 이동한 Li⁺가 Cu 등의 집전체에 석출되면서 금속 Li 음극을 형성하는 구조이다. 기존 음극이 차지하던 질량과 부피를 줄일 수 있기 때문에 기존 리튬이온전지보다 높은 Wh/kg·Wh/L를 구현할 수 있으며, 고에너지밀도가 요구되는 EV, eVTOL·UAM, Drone, Humanoid Robot용 차세대 배터리로 주목받고 있다. 최근 분석으로는 무음극 Li-metal 전지가 약 500 Wh/kg 수준까지 도달할 잠재력이 있는 것으로 평가된다.

무음극 기술의 가장 큰 난제는 Li inventory가 제한적이라는 점이다. 일반 Li-metal 전지는 excess Li이 손실을 보상할 수 있지만 무음극에서는 양극에 포함된 Li이 사실상 전체 Li 공급원이므로, SEI 형성·전해액 분해·dead Li 생성에 따른 Li 손실이 곧바로 용량 감소로 이어진다. 또한 Cu 표면에서 Li가 불균일하게 핵생성되면 국부 전류밀도가 증가해 mossy/dendritic Li이 성장하고, stripping 과정에서 일부 Li가 전기적으로 고립되어 dead Li이 형성된다. 따라서 무음극 상용화의 핵심은 매 cycle Li plating/stripping의 Coulombic Efficiency를 거의 100%에 가깝게 유지하는 것이다.

현재 해결 전략은 크게 네 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째, 고농도전해액(HCE), 국소고농도전해액(LHCE), ether계 전해액 및 첨가제를 이용해 free solvent와 부반응을 줄이고 LiF-rich SEI를 형성하는 전해액 설계이다. 둘째, Ag·Zn·Mg·Sn 등의 lithiophilic metal, carbon, Cu oxide, 3D porous Cu 등을 이용해 Li nucleation을 균일하게 만드는 집전체 기능화이다. 셋째, 무기물·고분자 기반의 artificial SEI 또는 보호층을 적용해 fresh Li와 전해액의 직접 접촉을 줄이고 부피변화를 흡수하는 방법이다. 넷째, cathode prelithiation, sacrificial Li source 등을 이용해 초기 Li 손실을 보상하는 Li inventory 관리이다.

최근에는 액체전해질계보다 Anode-free + All-Solid-State Battery(ASSB) 조합이 중요한 개발축으로 부상하고 있다. 고체전해질은 Li과 액체전해액 간 부반응을 줄일 수 있지만, Li stripping 후 계면 void와 contact loss가 새로운 문제로 나타난다. 이에 따라 전고체 무음극에서는 높은 ionic conductivity뿐 아니라 stack pressure, 계면 접착성, void suppression, mechanical compliance가 핵심 설계변수가 되고 있다.

산업계에서는 Samsung SDI, LG Energy Solution, SK On, Hyundai/Kia 등이 황화물계 전고체와 무음극 기술을 병행 개발하고 있다. Samsung SDI는 Ag-C 기반 기능층을 활용한 무음극 전고체 기술을 발전시키고 있으며, LGES는 LPM coating, Cu oxidation, 3D current collector 등을 통해 Li nucleation과 계면 안정성을 높이고 있다. SK On은 초박막 Ag/polymer 계면, Hyundai/Kia는 AgF·Ag/Zn 등 lithiophilic metal 기반의 저압·고로딩 구조를 연구 중이다. 중국에서는 CATL이 self-forming anode, BYD가 3D porous gradient collector, SVOLT가 PPy/PANI-Cu와 Cu₂O nanowire 기술을 개발하고 있으며, Ganfeng Lithium은 ultra-thin Li와 Cu-Li composite를 통해 near-Anode-free에서 true Anode-free로 접근하는 전략을 취하고 있다.

무음극이 상용화되면 제조공정에도 큰 변화가 예상된다. 기존의 음극 mixing → coating → drying → calendering 공정이 크게 축소되거나 제거되고, 대신 Cu foil 표면개질·기능층 coating·계면 형성 공정이 중요해진다. 또한 기존 전지에서 formation은 SEI 안정화 공정에 가까웠지만, 무음극에서는 첫 충전 자체가 Li-metal 음극을 만드는 전기화학적 제조공정이 된다. 따라서 초기 충전 전류, 온도, SOC, 휴지시간, stack pressure가 최종 Li morphology와 수명에 직접 영향을 미치게 된다.

향후에는 true Anode-free보다 ultrathin Li 또는 low-excess-Li를 사용하는 near-Anode-free가 먼저 상용화될 가능성이 높다. 이 방식은 무음극의 에너지밀도 장점 대부분을 확보하면서도 초기 SEI 및 dead Li 손실을 보상할 수 있는 소량의 Li reservoir를 남겨두기 때문이다. 이후 전해액·집전체·계면 및 Li inventory 관리기술이 발전하면 Li 사용량은 수십 μm에서 수 μm, 최종적으로 zero-excess 구조로 감소할 것으로 예상된다.

초기 적용시장은 긴 cycle life보다 고에너지밀도가 중요한 드론, eVTOL/UAM, 우주·항공, 휴머노이드 로봇이 유력하다. 이후 대면적 셀 수율과 장기 cycle/calendar life가 확보되면 premium EV를 중심으로 확대될 가능성이 높다. 결국 무음극의 경쟁력은 단순한 최고 Wh/kg보다 Li plating/stripping CE, Li inventory, electrolyte consumption, 제조수율, cycle/calendar life를 동시에 만족시키는가에 의해 결정될 전망이다.

본 보고서는 아카데미에서의 연구개발 및 삼성 SDI를 위시한 산업계에서의 연구개발 등 무음극 전지에 관한 지금까지의 개발현황을 주제별로 정리하여, 무음극 전지 연구개발 및 전망에 대한 체계적인 이해가 가능하도록 구성하였다.

본 보고서의 Strong Point는 다음과 같다

① 무음극 전지의 도입 및 연구동향 및 개발 현황 상세 수록

② 무음극 전고체전지, Li금속전지, Na전지, Li-S 전지 등 최근 전지별 연구개발 결과 수록

③ 각국의 무음극 전지 개발 지원 프로그램 및 기술개발 결과 상세 수록

④ 글로벌 무음극 전지 개발 주요 업체의 상세한 최근 현황 및 특허 분석

목차	페이지
1. 무음극 전지 개요
1.1 이차전지 기본 기술	6
1.1.1 이차전지 기본 기술과 한계	6
1.2 무음극 전지 시스템	7
1.2.1 무음극 전지 개념	7
1.2.2 무음극 전지 장점	8
1.2.3 무음극 전지의 실용적인 조건과 성능 요구	9
1.3 무음극 전지의 문제점	10
1.3.1 비가역 Li 손실	10
1.3.2 계면 열화	11
1.4 무음극 전지용 음극 소재	12
1.4.1 무음극 전지용 음극 활물질 및 요구조건	12
1.5 무음극 전지의 해결 전략	13
1.5.1 장수명 구현을 위한 무음극 전지	13
1.6 무음극 기술이 이끌 배터리 변화	14
1.6.1 음극 제조라인 제거 가능	14
1.6.2 Cu foil의 역할 : 음극이 생성되는 제조장비의 일부	15
1.6.3 초기 충전 공정의 중요성 : 전기화학적 음극 제조 공정	16
1.6.4 초기 충전 시간 및 stack압력 중요	17
1.6.5 전해액이 Li plating 공정액 역할	18
1.6.6 양극 : Li inventory로서 엄격한 요구조건 및 고 로딩	19
1.6.7 분리막/Cell stacking/Edge 정밀도 제어 중요	20
1.6.8 셀 두께/Dry room 요구조건/QC 장비의 변화	21
1.6.9 제조 수율 : 1st plating yield가 아주 중요	22
1.6.10 배터리 제조라인 Layout의 변화	23
1.6.11 Cost 구조의 변화 및 전고체전지에서의 제조변화	24
1.6.12 전지 제조 패러다임 변화	25

2. 무음극 전지 열화 메커니즘
2.1 제한된 금속 저장원과 높은 쿨롱효율 요구	27
2.1.1 무음극 구조에서의 제한된 Li 저장원	27
2.1.2 실용 전지를 위한 높은 쿨롱효율 요구	28
2.1.3 SEI 형성에 따른 지속적 리튬 소모	29
2.2 불균일 전착과 dead Li 형성	30
2.2.1 집전체 표면에서의 불균일 핵형성	30
2.2.2 이온 농도 구배와 국부 전류밀도 증가	31
2.2.3 비평면 금속 성장과 표면적 증가	32
2.2.4 Dead Li 형성과 전기적 고립	33
2.3 전해질 소모와 실용 조건에서의 열화	34
2.3.1 반응성 금속 표면에서의 전해질 분해	34
2.3.2 저전해질 조건에서의 열화 가속	35
2.3.3 고면적·고용량 파우치셀 조건에서의 문제	36
2.4 휴지(rest) 상태에서의 부식 반응	37
2.4.1 사이클링 중 열화와 휴지 중 열화의 차이	37
2.4.2 Chemical corrosion, 화학적 부식	38
2.4.3 Galvanic corrosion, 갈바닉 부식	39

3. 무음극 전지 전해질 및 계면 설계
3.1 무음극 전지를 위한 용매 설계	41
3.1.1 Carbonate 계열 전해질	41
3.1.2 Ether 계열 전해질	42
3.2 무음극 전지를 위한 전해질 개질	43
3.2.1 고농도 전해질	43
3.2.2 국소 고농도 전해질	46
3.2.3 염과 용매의 조성 변경	49
3.2.4 전해질 첨가제	53
3.3 차세대 무음극 전지용 전해질	58
3.3.1 고체 전해질 및 고분자 전해질	58
3.3.2 난연 전해질	60
3.4 인공 SEI 및 보호층 설계	63
3.4.1 계면 보호층이 필요한 이유	63
3.4.2 무기물 기반 보호층	64
3.4.3 고분자 보호층	66
3.5 친리튬성 계면층을 통한 핵형성 제어	68
3.5.1 합금형 계면층 기반 Li 핵형성 제어	68
3.5.2 Defect-rich carbon 기반 Li 핵형성 제어	70
3.5.3 Polar site 기반 Li⁺ 흡착 제어	72
3.5.4 Single-atom site 기반 Li 핵형성 제어	74
3.5.5 Cu foam 기반 3D host 구조	76
3.5.6 다기능 계면 설계를 통한 Li 핵형성 SEI 동시제어	78

4. 확장된 무음극 전지 시스템
4.1 고체 전해질 기반 무음극 전지	81
4.1.1 고체 전해질 도입 배경	81
4.1.2 고체 전해질 종류 및 특성	82
4.1.3 황화물계 고체 전해질 기반 무음극 전지	83
4.1.4 산화물계 고체 전해질 기반 무음극 전지	87
4.1.5 고분자계 고체 전해질 기반 무음극 전지	91
4.1.6 고체 전해질 극복 과제 요약	95
4.2 Li₂S 양극 기반 무음극 전지	96
4.2.1 리튬 황 전지 및 Li₂S 전지	96
4.2.2 Li₂S 전지 기반 무음극 전지	98
4.2.3 Li₂S 양극 극복 과제 요약	103
4.3 Na 음극 기반 무음극 전지	104
4.3.1 Na 음극 전지	104
4.3.2 Na 음극 기반 무음극 전지	106
4.3.3 Na 음극 전지 극복 과제 요약	110
4.3.4 Na 음극 기반 무음극 전지 : CATL의 in-situ self-forming anode	111

5. 무음극 전지 국가별 프로그램(PJT)
5.1 주요 국가별 무음극 지원 프로젝트	116
5.1.1 주요 국가별 지원 프로젝트	116
5.2 US program(PJT)	118
5.2.1 Anode free Lithium Batteries	118
5.2.2 Anode free Sodium Batteries	121
5.2.3 Anode free All solid Batteries	122
5.3 EU Program(PJT)	124
5.3.1 SOLVE-Gen4b 전고체전지 개발	124
5.3.2 AM4BAT-Gen4b 전고체전지 제조	131
5.3.3 MSCA - Anode free LIBs	137
5.4 중국 Program(PJT)	141
5.4.1 Beyond Traditional Battery Systems	141
5.5 한국 Program(PJT)	144
5.5.1 무음극 국가 R&D Projects 및 프로그램	144
5.5.2 무음극 및 전고체전지용 집전체 개발	145
5.5.3 EPIC 국제 공동 클러스터	146
5.5.4 900Wh/L 황화물계 국가 프로젝트	147
5.5.5 차세대 이차전지 혁신 전략연구단(K-BIC)	148
5.5.6 에어로졸 기반 Lithiophilic 소재 개발	150
5.5.7 고효율 무음극 리튬이차전지 핵심기술개발(1)	152
5.5.8 고효율 무음극 리튬이차전지 핵심기술개발(2)	156
5.5.9 초기 음극-무함유 전고체 배터리용 Li-Argyrodite 전해질에서의 은(Ag) 석출	157
5.5.10 구리표면 개질 및 응용 리튬 박막화를 통한 무음극 리튬전지 개발	159

6. 무음극 전지 개발현황 및 특허분석
6.1 SDI	161
6.1.1 SDI 무음극 개념 및 원천기술	161
6.1.2 핵심 특허 분석	162
6.1.3 SDI 무음극 기술 발전 흐름 및 SolidStack/기술 경쟁력	165
6.2 LG ES	167
6.2.1 LGES 무음극 기술 기본구조	167
6.2.2 핵심 기술 : LPM coating 외	168
6.2.3 전고체전지와 건식 전극과의 연계	172
6.3 SK On	174
6.3.1 SK On의 무음극 기술개발 방향	174
6.3.2 SK On의 주요 논문 및 특허	175
6.3.3 PEMA기반 초박막 Ag 기능층 기술	176
6.4 Hyundai Motor	179
6.4.1 현대차 무음극 기술의 기본 구조	179
6.4.2 핵심 기술 : Metal Fluoride conversion layer 외	180
6.4.3 핵심 특허(균일 Li deposition기술 외)	182
6.5 CATL	186
6.5.1 CATL 무음극 기술의 기본 방향	186
6.5.2 Li 및 Na anode free 특허 분석	187
6.5.3 CATL 무음극 핵심 기술	189
6.6 BYD	192
6.6.1 BYD 무음극 핵심 구조	192
6.6.2 양극측 Li inventory 전략	195
6.6.3 BYD 무음극 주요 특허 및 기술	196
6.7 SVOLT	197
6.7.1 Anode free 개발 및 중요 특허	197
6.7.2 핵심 특허 분석	198
6.7.3 SVOLT Anode free 구조	202
6.8 Panasonic	203
6.8.1 Anode free 개발목표 및 로드맵	203
6.8.2 핵심 특허 분석 : Li금속 석출 안정화	204
6.8.3 분리막/집전체/전해액 개발	205
6.9 QuantumScape	209
6.9.1 무음극 기술 구조 및 세라믹 분리막	209
6.9.2 분리막 생산공정 : Cobra	211
6.9.3 핵심특허분석(고체전해질/표면결함제어)	213
6.10 TeraWatt Technology	216
6.10.1 TeraWatt 무음극 기술	216
6.10.2 핵심특허분석(계면접착층 외)	217
6.10.3 표면 코팅 및 복합 집전체 개발	220
6.11 SES AI	222
6.11.1 무음극 기술 및 초기 구조	222
6.11.2 고농도 Solvent-in-Salt 전해액	223
6.12 Ampcera	225
6.12.1 핵심기술(Li 덴드라이트 억제 분리막)	225
6.12.2 고체전해질 membrane 특허분석	226
6.13 ONE(Our Next Energy)	227
6.13.1 ONE 무음극 기술 기본 개념	227
6.13.2 Gemini Dual-Chemistry전략	229
6.13.3 핵심특허 분석(prelithiation 외)	231
6.14 POSCO FM/금호석유화학/비이아이(BEI)	233
6.14.1 3사 공동개발의 기본 구조	233
6.14.2 각 사의 역할(양극재/CNT/셀 제조)	234
6.14.3 각 사가 해결해야 할 핵심 문제	237
6.15 Ganfeng Lithium	239
6.15.1 Ganfeng의 Anodeless 기술 개발	239
6.16 주요 기업 Anode free 개발현황 요약(1~3)	240

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