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자동차/로봇 전고체 전지의 개발 경쟁 시작, 실용화를 서두르는 도요타, 韓ㆍ中과 대결

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-05-13 14:24:00
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차세대 전지의 개발 경쟁이 열을 띠기 시작했다. 주력 분야는 전고체 전지다. 기존의 리튬이온 전지보다 안전하고 전지 용량의 크기를 나타내는 에너지 밀도도 높다는 특징이 있다. 폭넓은 기기에 탑재될 전망이지만, 특히 전기자동차(EV)에서는 한번 충전하여 주행할 수 있는 거리가 늘어나는 등, 큰 이점이 있을 것으로 기대된다. 따라서, 이에 세계 각국의 기업 및 연구기관이 개발에 힘쓰고 있다.

 

<그림> NIO의 전기자동차(EV) ‘ET7 세단’

 

EV의 1000km 주행 기대

 

전고체 전지는 주요 부재인 전해질이 고체로 만들어졌다는 특징이 있다. 리튬이온 전지는 액체 전해질로 채워진 양극과 음극 간의 ‘수조’를 리튬이온이 왔다 갔다 함으로써 전기를 흐르게 하며 충/방전한다. 이에 반해 전고체 전지는 전해질이 고체이기 때문에 액체 누출이나 온도 상승으로 인한 발화의 우려가 거의 없다. 소형화 및 비용 절감이 쉽다는 장점도 갖고 있다. 작동하는 온도의 범위가 넓고, 고속 충전도 가능하다. 설계의 자유도도 높다.

 

이미 보청기나 무선 이어폰과 같은 전력 사용량이 비교적 적은 기기에서는 도입되기 시작하고 있으며, TDK나 무라타 제작소와 같은 전자부품 회사가 전지 공급을 확대하려 하고 있는데, 그 용도로서 가장 기대를 받고 있는 것이 자동차다.

 

현존하는 대부분의 EV의 주행거리는 300km 정도지만, 이를 100km로 늘릴 수 있다고 한다. 전지의 크기가 작아져 차량의 무게도 줄어들게 된다. 리튬이온 전지 기술은 이미 개발되었으며, 극적인 성능 향상은 어려울 것으로 보이기 때문에 실용화에 거는 기대가 크다.

 

그중에서도 토요타 자동차는 개발에 가장 적극적이며, 관련 특허 보유 수에서 타사를 크게 웃돌고 있다. 토요타는 2017년 10월 도쿄 모터쇼에서 20년대 전반에 전고체 전지를 탑재한 자동차를 상품화하겠다고 표명한 바 있다. 2020년 4월에는 파나소닉과 차량 탑재용 전지 개발회사 ‘프라임 플라넷 에너지 & 솔루션즈’를 설립, 전고체 전지의 한 축을 담당하고 있다.

 

토요타는 그밖에도 차세대 전지를 개발하고 있는데, ‘현재로서는 가장 (자동차에 탑재한다는 의미에서) 실용화가 가까웠다’고 말한다.

 

차량용 전지는 EV의 비용의 약 30%를 차지하며, 주행거리 등의 성능을 크게 좌우하는 만큼, 도요타로서도 개발에 뒤처질 수 없다.

 

일본은 국가별 관련 특허에서도 다른 국가보다 앞서 있다.

 

다만 현재로서는 문제도 많이 존재한다. 예를 들어 전해질이 고체일 경우, 전도율을 높여 이온을 빠르게 움직이기가 어렵다. 기대되는 성능을 발휘하거나 양산 기술을 확립하는 것이 어렵다고 보는 경영자와 연구자도 적지 않다.

 

‘중국의 테슬라’ 등장

 

그럼에도 이 차세대 전지에 대한 기대는 높은 편이며, 국제적인 개발 경쟁이 심화되고 있다.

 

2021년 1월 9일에, 자동차 업계에 충격이 일었다. ‘중국의 테슬라’라 불리는 EV 벤처기업 상하이 웨이라이 자동차(NIO)가 신형 세단과 함께 전고체 전지로 보이는 대용량 전지를 발표하였고, 2022년 3월부터 탑재할 수 있게 하겠다고 표명했기 때문이다. 자세한 내용은 알려지지 않았으며, 전해질을 젤 형태로 만드는 ‘반고체 전지’라고 보는 견해도 있지만, 발표는 이미 값이 높은 당사의 주가를 더욱 끌어 올렸다.

 

배터리를 (충전하는 것이 아니라) 교환하는 시스템을 사용하고 있는 NIO는 에너지 밀도의 향상을 절실하게 바라왔다. 한 신흥 자동차 회사에서 관리직에 있는 전문가는, ‘NIO는 배터리 교환 시스템을 채용하면서 배터리 팩의 크기를 통일했다. 정해진 배터리 부피의 범위 내에서 항속거리를 향상하려면, 에너지 밀도를 급속도로 높이는 것말고는 방법이 없다’고 말한다.

 

NIO는 일관되게 ‘CATL(닝더 스다이)’의 배터리를 채용해 왔다. 두 회사는 지금까지 70kWh, 84kWh, 100kWh, 이렇게 3가지 배터리 팩을 제휴했고, NIO는 CATL에 있어 최대의 고객이 되었다. 하지만 150kWh에 대해서는, 협업하지 않을지도 모른다. CATL에 대해 잘 아는 업계 관계자에 따르면, CATL은 모든 경영 자원을 리튬이온 전지에 투입하고 있어, 신기술에 투자할 여력이 없다고 한다.

 

고체 전지는 이점도 많지만, 약점도 있다. 고체 전해질 및 전극을 채용하면 전도율이 낮아진다는 문제점이 그중 하나다. 전해질과 양극, 음극의 재료 조달, 생산 기술 등도 해결해야 할 과제다.

 

고체 전지에 대해 깊이 고찰해온 여러 배터리 회사들은, 고체 전지의 대량 생산은 2025년 이후에나 실현될 것이라고 한다. 그에 반해, 업계가 실현하고자 하는 것은 하이레이트 리튬이온 전지, 즉 고전압 플랫폼과 하이레이트 전지에 급속 충전 기술을 적용시켜 EV의 충전 효율을 얻고자 하는 것이다.

 

이러한 현재 상황을 고려하여, 업계 관계자들은 이번에 NIO가 채용한 것은 일시적 고체 전지 기술 – 이른바 반고체 전지일 가능성이 높다고 예상한다. 고체 리튬 전지를 취급하는 ‘칭타오 에너지(Qing Tao Energy Development)’의 리정 사장이 과거에 강연에서 이에 대해 말한 적이 있다. 음극에 사용되는 재료로는 두 가지 선택지가 있으며, 하나는 기존 그대로 음극에 그래파이트, 라미네이트 부분에 실리콘을 사용하는 것인데, 에너지 밀도는 320〜350Wh/kg 정도이다. 다른 하나는 전고체 전지인데, 음극에 리튬을 사용하며, 에너지 밀도는 450Wh/kg이라고 한다. 하지만 리정은 ‘이겅슨 결코 자동차에 사용할 수 있는 것이 아니다. 사이클 수명의 영향을 받기 때문이다’라고 말한다.

 

NIO의 시가총액은 850억 달러(약 94조 원)로서, 자동차 회사로서는 세계 3위에 달한다. 고체 전지를 실용화하면 업계를 리드하는 존재가 되어, EV의 최종 형태가 모습을 드러내게 될지도 모르겠다.

 

한편, 일본의 자동차 산업은 고품질과 안전성 등을 무기로 세계 최고 수준을 유지해 왔지만, 전고체 전지가 등장함에 따라 경쟁의 형태가 뿌리째 흔들렸고, 그 지위를 해외 세력에 빼앗기게 될 가능성도 부정할 수 없다.

 

이미 반도체나 액정, 스마트폰에서는 일본의 지위가 크게 낮아지고 있다.

 

전지 역시 우위성이 흔들리고 있는 제품 중 하나다. 리튬이온 전지의 개발과 관련해서는 아사히카세이의 요시노 아키라 명예 펠로우가 노벨화학상을 수상했고, 상품화에 있어서도 1991년에 소니가 세계를 리드했다. 하지만 차량용 전지에서 현재 최고의 자리를 차지한 것은 중국의 닝더 스다이 신 에너지 기술(CATL)이다. 일본은 파나소닉이 2위를 유지하긴 했지만, 한국 세력에게도 밀리고 있는 상황이다. 원래 중국과 한국은 비용 경쟁력이 유일한 강점이었지만, 최근에는 개발 속도 및 자금력에서도 일본을 웃돌고 있다.

 

따라서 일본 정부는 2020년 12월에, 탈탄소화에 대한 그린 성장 전략에 전고체 전지의 본격적인 실용화를 포함시켜, 기본 설계 및 신재료의 검토 등에 있어 관민의 연계를 강화할 방침이라고 밝혔다.

 

자동차와 관련해서는, 일본 정부가 2030년대 중반에 국내의 신차를 모두 EV 등 전기차로 전환하겠다는 목표를 들고 있지만, 이를 달성하려면 전지 기술이 발달되어야 한다고 보고 있다. 탈탄소화를 위해서도, 조기 실용화을 위해 적극 대응하고 있다.

 

 

[2021 국내외 수소자동차 기술개발 동향과 시장전망] 보고서 상세 보기

https://www.irsglobal.com/shop_goods/goods_view.htm?category=01000000&goods_idx=84831&goods_bu_id=

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