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전기차 전고체 배터리 상용화 언제쯤 가능할까?

박정한 기자

기사입력 : 2021-04-19 05:47

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한국 배터리 3총사는 물론 유럽에서도 차세대 배터리인 전고체 배터리 개발에 사활을 걸고 있다.
전고체 배터리 개발 업체로 잘 알려진 퀀텀스케이프 주가가 최근 12.24% 폭락했다. 지난 15일(현지 시각) ‘행동주의 공매도 투자자’ 스콜피온 캐피탈이 퀀텀스케이프 전고체 배터리 기술에 대해 ‘사기’라고 주장했기 때문이다.


전고체 배터리는 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 기존 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 크게 높고, 전해질은 액체가 아닌 고체이기 때문에 액체 누설에 대한 걱정이 없고 안전하게 사용할 수 있다. 현재 전기차 가격을 획기적으로 낮출 수 있어 개발과 상용화하는 시기에 관심이 클 수밖에 없다.

현재 전 세계 주요 배터리 제조사과 내연차 기업들은 비용 절감과 자사의 경쟁력 강화를 위해 전고체 배터리 개발에 도전하고 있다. 배터리 시장은 ‘제2의 반도체’라고 할 만큼 우리산업의 핵심이다. 퀀텀스케이프 주가 폭락을 계기로 현재까지 알려진 전고체 배터리의 장점과 한계, 기술 개발에 도전하는 글로벌 주요 기업과 상용화 시기가 주목을 끌고 있다.

전고체 배터리 시장은 2030년까지 60억 달러, 2035년까지 228억 달러에 달할 것이라고 한다.

◇ 전문가들의 진단과 전망

배터리 업계 전문가들은 전고체 배터리의 기술적 우월성에 대해 에너지 밀도(더 큰 EV 범위), 전력 밀도(더 빠른 충전 속도), 안전성(훨씬 덜한 가연성), 수명(배터리 수명 연장), 비용 효율성(원료 및 배터리 셀 감소) 등 5가지 주요 측면에서 기존 리튬 이온 배터리보다 개선된 기능을 제공한다고 말한다.

이런 개선은 EV를 포함한 배터리 구동 전자 제품에 있어서 리튬 이온 배터리보다 최대 10배 더 오래 지속될 것으로 예상되며, 이는 오늘날 EV의 평균 주행 거리를 최대 10배 정도 증가할 수 있음을 의미한다.

EV 충전 시간은 1시간 이상에서 약 10분으로 줄어들 것으로 예상된다. 전고체 배터리로 인한 절감 효과로 전기 자동차는 가스 구동 차량에 비해 비용 경쟁력이 있을 뿐만 아니라 더 저렴해질 것으로 예상된다.

EV에 전력을 공급하는 데 필요한 배터리 셀 수가 적어진다는 것은 비용 절감을 가져온다. 동시에 상당한 중량 절감에도 기여한다. 에너지 밀도가 3배 더 높으면 배터리 팩은 부피 측면에서 셀 수의 3분의 1을 활용하고 동일한 범위는 달리 활용할 수 있다.

특히, 전고체 배터리는 더 이상 가연성이 아니며 전반적으로 훨씬 더 큰 안전성을 보장할 수 있다. 전고체 배터리는 리튬 이온 배터리를 과도하게 사용하면 배터리가 과열되어 화재가 발생하는 문제를 해결할 수도 있다. 이는 과열 예방으로 배터리 수명을 연장하는 부수효과까지 가져온다.

따라서 전고체 배터리의 더 높은 내열성과 이러한 열을 발산하는 더 큰 능력은 더 큰 안전성뿐만 아니라 더 오래 지속되는 배터리를 보장하게 된다.문제는 아직까지 이를 달성할 기술력이 부족하다는 점이다. 전고체 배터리를 개발하는 데 있어 문제가 되는 장애 요소는 온도다. 어느 정도 해결은 되고 있지만 추운 날씨에서 유용성 극복이 어렵다.

다음은 충돌에서 견디는 능력이다. 울퉁불퉁한 시골길이나 산악, 불완전 도로에서 전고체 배터리는 균열이 발생할 수 있다. 갈라진 전해질은 에너지 전달 효율이 떨어진다.

그 다음은 배터리의 크기다. 적정 크기로 만들어야 자동차 공간 활용이 가능해지는데 크기를 합리적으로 조정하기가 쉽지 않다.

끝으로 거론되는 문제는 비용과 생산이다. 동일 용량일 때 리튬 이온 배터리 비용의 거의 8배 정도가 비싸다. 이러한 과다한 비용은 생산을 늘리기 어렵게 한다.

한편 자동차 전문가들은 전고체 배터리는 복잡한 구성 요소가 너무 많기 때문에 기계가 작은 결함을 감지할 수 없는 경우 인명사고로 연결될 수 있어 앞으로도 개발해야 할 단계가 너무 많다고 지적한다.

다음은 전고체 배터리의 상용화 시기 문제다. 현재까지 나온 각종 배터리 보고서에서는 전고체 배터리를 장착한 전기 자동차 구현은 빠르면 2024년에 시작될 수 있을 것으로 예상하면서도 상용화는 2027년에서 2028년까지 실현되기가 쉽지 않다고 전망하고 있다.

그 때까지 현재의 리듐 이온 배터리 성능을 개선해서 사용해야 한다는 견해가 주류를 이루고 있다. 다만, 현재 세계 최고수준의 배터리 기업과 자동차 기업들은 기술력의 한계를 극복하기 위해 연구와 개발, 투자를 아끼지 않고 있기 때문에 상용화 시기는 예상보다 빨라질 수 있다.

전문가들은 전고체 배터리 상용화에 대해 우선은 작은 가전제품에서 기술을 가장 먼저 보게 될 것으로 전망하고 있다. IBM이 이런 제품을 제공해서 소비자에게 전고체 배터리를 출시한 최초의 회사가 될 수 있다고 본다.

또한, 전기차에 전고체 배터리를 가장 먼저 탑재할 회사는 도요타로 본다. 빠르면 2024년에 전고체 배터리를 전기차에 넣을 수 있을 것으로 예상한다. 도요타가 이를 달성할 수 있다면 초기 생산 문제가 해결된다고 본다. 다만, 배터리 비용이 예상보다 높기 때문에 먼저 고급 렉서스(Lexus) 라인업에 기술력이 적용될 것으로 예상하고 있다.

전문가들은 빠르면 2025년 전후 많은 회사가 프리미엄을 시작으로 단계적으로 전기차에 전고체 배터리를 도입할 것으로 생각하고 있다. 다만, 실험실에서는 가능하더라도 개방된 도로, 특히 오프로드에 이르기까지 확연한 차이가 있을 수 있다. 기술을 확장할 때 문제가 발생할 수 있기 때문에 2027년과 2028년에 실질적 대중시장 수준에 도달하면서 2026년이나 되어야 시작될 수 있다고 보는 견해도 있다.
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퀀텀스케이프에 투자하고 있는 폭스바겐 전기차 모듈. 사진=로이터


◇ 세계 각국의 전고체 배터리 개발 현황

IBM이다. 양자 컴퓨팅 기술과 기계 학습을 활용하여 배터리 개발을 진행하고 있는데 전고체 배터리는 아니다. 전고체 배터리와 유사한 성능을 발휘할 수 있는 배터리를 개발하고 있다는 주장이다.

여전히 리튬 금속 양극을 활용하는 액체 기반 시스템이지만 단 5분 만에 0%에서 80%까지 충전할 수 있고 총 배터리 밀도가 약 800Wh/L로 리튬 이온 배터리의 평균 밀도인 최대 670Wh/L를 능가한다.

IBM은 메르세데스 벤츠 R&D 노스 아메리카와 파트너 관계를 맺고 우선 전동 공구와 소형 가전제품에 사용 가능한 배터리를 개발하고 있다. 이런 제품을 실제 사용하면서 기술력의 한계를 극복한 다음 전기 자동차에 사용할 수 있는 배터리를 개발해 나간다는 목표를 가지고 있다.

GM은 자체적으로 전고체 배터리를 개발하고 있다. 2019년 말 배터리 개발에 사용하기 위해 미국 에너지부로부터 200만 달러를 수여 받았다. 개발에 대한 정보는 알려진 바가 없다.

GM의 배터리 전략 책임자 팀은 언론 인터뷰에서 “8~10년은 걸리지 않을 것이며, 더 가까운 시기를 위해 최대한 열심히 쫓고 있다”라고 밝혔다.

삼성SDI는 지난해 3월 삼성전자 종합기술원 연구팀이 네이처에 전고체 배터리 연구를 발표했다는 소식을 블로그에 올렸다. 기술 효율성을 입증하기 위해 용량이 0.6Ah에 불과한 소형 셀을 테스트했다. 효과적이었다. 현재 배터리 사이클은 1000회 주기로 테스트했을 때 총 용량이 25%에 가까운 손실을 보인다. 삼성은 1000회 테스트를 통해 99.8% 효율을 유지했다고 밝혔다.

삼성SDI는 독자적인 기술로 셀 부피를 50% 줄일 수 있을 것으로 보고 있다. 배터리가 900Wh/L로 올라감에 따라 에너지 밀도가 50% 증가할 것으로 예상한다.

삼성SDI는 약 1년 내에 셀 크기를 증가한 후 전기 자동차에 상용으로 사용할 셀 검증을 시작할 것으로 보인다. 2027년 전고체 배터리 양산 계획을 목표로 하고 있다.

니오(Nio)는 최근 2022년 1분기에 전고체 배터리를 사용하는 전기차 생산을 시작할 것이라고 발표했다. 특허 17개를 보유한 라이온(Lion)이라는 기업이 배터리 공급 업체가 될 것이라고 밝혔다. 업계 전문가들은 실현 가능성을 회의적으로 보고 있다.


도요타는 야심찬 전고체 배터리 개발자다. 전고체 배터리 기술 관련 1000개 이상의 특허를 보유하고 있다. 최근 보고서에 따르면 2021년 출시가 목표다. 2021년 출시는 프로토 타입 차량으로만 이루어지지만 상용화를 향한 첫 걸음이다.

도요타의 주장은 사실일 가능성이 높다. 미쓰이 마이닝&스멜팅(Mitsui Mining and Smelting)이 배터리에 사용될 고체 전해질을 제조하기 위한 파일럿 시설을 시작했기 때문이다.

도요타가 밝히는 배터리 성능은 단 10분 만에 완전 충전 사이클을 완료하고 30년 동안 총 용량의 10%만 잃을 수 있도록 한다는 것이다. 이 회사는 아직 2025년 상용 출시를 목표로 한다는 입장은 명확히 표명하지 않고 있다.

심천 증권거래소에서 거래되는 CATL은 작년에 전고체 배터리 개발 센터에 자금을 지원했다. 이 시설은 리튬 메탈 배터리와 함께 전고체 배터리 개발에 중점을 두고 있다. 중국 정부에서 천문학적 자금과 정책 지원을 아끼지 않고 있기 때문에 관련 기술 동향이 주목을 끈다.

2020년 7월 파나소닉은 고체 배터리에서 리튬 이온의 동작을 실시간으로 관찰하는 것과 관련된 결과를 발표했다. 파나소닉에 따르면 이 기술이 전고체 배터리 미래 개발에 막대한 기여를 할 것이라고 밝혔다. 2018년 말에 완성되었으며 이후 개발을 지원하는 데 사용되고 있다고 한다.

이 기술은 다소 인상적이지만 전고체 배터리는 아니다. 파나소닉이 2020년에 도요타와 합작 투자를 통해 전고체 배터리 기술 개발에 나서고 있는데 이 기술로는 적어도 2028년까지 대량 판매용 반도체 배터리 생산을 기대하지 않고 있다고 한다.

LG에너지솔루션은 고분자계 전해질을 사용한 전고체 배터리 개발에 나서고 있다. 고분자계 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리 공정을 활용해 생산이 가능하다. 지난해 3분기 실적 발표에서 LG는 “2028년~2030년이 상용화 목표 시점”이라면서 “2027년까지 전고체 배터리를 상용화할 수 있을지 시험하는 수준의 기술 개발은 있을 것”이라고 밝힌 바 있다.

SK이노베이션은 2019년 노벨화학상 수상자인 존 굿이너프 미 텍사스대 교수와 전고체 배터리 개발에 나서고 있다. 특히 리튬메탈 배터리 개발에 집중하고 있다. 리튬메탈 배터리는 리튬이온배터리의 에너지 밀도 한계치인 800Wh/L을 1000Wh/L까지 끌어올릴 수 있다. 개발 및 상용화 시점은 아직 공식적으로 입장 발표가 없다.

최근 사기 문제로 논란이 된 퀀텀스케이프다. 이 회사에서 개발하려는 배터리는 15분 만에 80%까지 충전이 가능하며, 일반 주행조건에서는 12년의 내구성을 보장하는 것으로 알려져 있다. 이 배터리는 또 영하의 온도에서도 충분히 정상 작동이 가능한 것으로 전해지고 있다.

리튬 이온 배터리의 공동 발명자이자 2019년 노벨 화학상을 수상한 스턴 위팅헴 박사의 강력한 지지를 받고 있다. 이 회사는 강력한 에너지 밀도를 셀에서 과잉 리튬을 완전히 제거할 수 있다. 퀀텀스케이프는 2025년까지 이 배터리를 차량에 탑재하기를 희망한다.

다만 아직 전기 자동차에 배터리를 탑재한 바가 없기 때문에 다층 배터리를 만들 수 없다. 이러한 문제 때문에 테스트 결과 배터리 용량은 190mAh에 불과했다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com

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