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자동차/로봇 전기차(EV)용 전고체 전지 개발 경쟁

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-04-14 14:31:00
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세계적으로 CO2 배출 규제를 강화하려는 움직임이 퍼져, 휘발유 차에서 전기자동차(EV)로의 전환을 더는 미룰 수 없는 상황이 되었다.

 

하지만 EV는 휘발유 차만큼의 항속거리를 확보하려고 하면 리튬 이차전지의 탑재 개수를 늘려야 한다는 단점이 있다. 그러면 가격도 비싸지고 차의 무게도 무거워지며, 이전보다 개선되었다고는 해도 충전하는 데 시간이 걸린다. 또한 전해액으로 발화하기 쉬운 석유에서 유래한 액체를 사용한다는 것도 문제다.

 

이러한 문제를 해결하고자 양극과 음극에 사용하는 재료를 조절하여 중량당 용량을 늘리거나, 전지를 물로 식혀 안전성을 확보하고 있지만, 근본적인 해결책은 얻지 못하고 있다. 이러한 문제를 해결하려면, 새로운 접근방식이 필요하며, 그 시작이 전고체 전지다.

 

 

▣ 게임 체인저가 될 전고체 전지

 

전고체 전지의 구조는 지금의 EV에 탑재되어 있는 리튬 이차전지와 같다. 지금의 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이의 합선을 막는 절연막을 두고, 틈새에 리튬이온이 지나는 길인 전해액이 채워져 있다. 전고체 전지는 리튬이온이 지나는 길이 전해액에서 고체의 전해질로 바뀌기만 했을 뿐, 구조는 같다.

 

리튬이온이 지나는 길이 액체에서 고체로 바뀌는 것뿐이지만, 그것만으로도 전고체 전지는 리튬 이차전지의 과제를 모두 해결할 수 있다. 전해질이 고체이므로 발화하지 않고 안전하며, 냉각 장치도 필요하지 않다. 높은 전압을 가할 수 있으므로, 충전 시간도 짧아진다.

 

또한 전해액은 양극이나 음극 재료와 불필요하게 화학반응을 일으키기 쉬워서 일부 고용량 재료를 사용할 수 없었지만, 전고체 전지에서는 사용할 수 있으므로, 지금의 리튬이온 이차전지의 3배 또는 그 이상의 용량으로 만들 수 있다.

 

지금의 EV는 완충 후 항속거리가 300km에서 350km지만, 전고체 전지를 사용하면 800km 이상도 가능하다고 한다.

 

▣ 세계적인 개발 경쟁

 

이러한 EV용 전고체 전지와 관련하여, 일본에서는 도요타, 해외에서는 한국 삼성 SDI, 미국에서는 얼마 전에 나스닥에 상장한 퀀텀스케이프 등이 개발하고 있다.

 

도요타는 3년 전 ‘2020년대 전반에 전고체 전지를 사용한 EV를 투입하겠다’고 발표했고, 착실하게 개발 중이다. 2020년 1월 시점에는 리튬, 게르마늄, 인, 유황을 재료로 한, 전해액보다 3배 높은 전도성을 가진 고체 전해질을 발견하였으며, 현재 양산 기술을 개발하고 있다.

 

한국의 삼성 SDI도 ‘2020년 중에 소재 개발을 마쳤’으며, 향후 시험 제품을 제작하고, 2027년 이후에 양산할 방침이다. 그리고 퀀텀스케이프는 음극 재료로 흑연계뿐 아니라 리튬 금속을 사용하고 있다.

 

리튬 금속은 흑연계 재료보다 에너지 밀도가 7~8배 높기 때문에, 크기가 작고 용량이 크며, 출력이 큰 전지를 만들 수 있다. 하지만 리튬 금속은 전해액과 반응하여 표면에 덴드라이트라 불리는 수지상 형태의 결정이 생길 수 있어 위험하기 때문에, 지금의 리튬이온 전지에서는 사용하지 않고 있다.

 

그런데 전고체 전지에서는 전해액을 사용하지 않기 때문에 결정이 생기지 않고, 합선이 일어나도 타지 않는다. 그에 더해 퀀텀스케이프에서는 독자적으로 개발한 세라믹 절연체를 사용하고 있어, 안전성도 높을 것으로 보인다.

 

▣ 2035년에는 시장 규모가 1.5조 엔 이상으로

 

이밖에도 히타치 선박이나 미츠이 금속, 스미토모 전공 등이 우수한 고체 전해질을 개발하고 있다. 전고체 전지가 EV에 본격적으로 도입되는 시기는 2020년 후반이며, 2035년이면 시장 규모가 1.5조 엔을 뛰어넘을 것으로 예상된다.

 

각사의 수익에 기여하는 것은 아직 먼 이야기지만, 희망은 있다. 2021년의 주목할 만한 테마로서, 반복적으로 관련 브랜드가 선택될 것 같다.

 

또한 무라타 제작소나 TDK 등이 만드는 웨어러블 단말기용 전고체 전지는 이미 시장이 형성되었지만, 차량 탑재용은 시장의 크기가 다르다. 전고체 전지가 게임 체인저가 될지 어떨지, 긴장하며 지켜봐주기 바란다.

 

▣ 폭스바겐은 전지로 EV 사업 추진 - 비용 증가를 전제로 한 고성능 셀도

 

폭스바겐(VW)은 2021년 3월 15일에, VW 그룹의 2030년까지의 차량용 배터리 전략을 발표했다.

 

공급 면에서는, 유럽에 6군데의 배터리 셀 공장을 설립하고, 연간 생산 능력을 총 240GWh로 만들겠다고 한다. 배터리 셀의 생산 거점에서는 재생에너지로 발전한 전력을 사용하여 생산 시의 CO2 배출량을 절감한다.

 

배터리는 차량의 세그멘트별로 최적의 재료를 도입, 엔트리 세그멘트에서는 최대 50%의 비용을 절감할 계획이다. 또한 지금까지처럼 차량마다 배터리를 따로 검토하는 것이 아니라, 80%의 전기자동차(EV)를 감당할 수 있는 통일된 규격의 ‘유니파이드 셀’을 2023년부터 전개하여, 대량 생산을 통해 비용을 절감할 예정이다. 유니파이드 셀은 전고체 전지로의 전환을 쉽게 한다.

 

충전 인프라도 마련할 예정이다. 유럽에서 18,000개의 공공 급속 충전기를 신설하여 지금의 5배로 증가시키고, 2025년에 유럽에서 필요로 하는 충전 수요의 3분의 1을 충당할 계획이다. 미국과 중국에서도 공공 급속 충전기를 늘려 EV의 판매를 확대할 예정이다. 장기적으로는 횟수나 장소에 제한을 두지 않고 무료로 충전할 수 있게 할 방침이다.

 

▲ 3가지 전지

 

2030년까지 유럽에서 세워질 6개의 공장 중에서 스웨덴의 셸레프테오와 독일의 잘츠기타, 이렇게 두 곳은 밝혀진 바 있다. 스웨덴에서는 Northvolt와의 협업으로, 프리미엄 세그멘트용 셀을 생산한다. Northvolt는 VW 그룹으로부터 향후 10년간 공급되는 셀을 140억 달러(약 15조 6천억 원)로 수주했다. 스웨덴에서는 2023년부터 생산을 시작하여, 최대 40GWh까지 생산 능력을 서서히 확장시킬 예정이다.

 

독일의 셀 공장은 2025년부터 생산을 시작하여, 스웨덴과 마찬가지로 연간 40GWh의 생산 능력을 달성할 계획이다. 그밖에도 2026년에 서유럽에서, 2027년에 동유럽에서 셀 공장을 설립할 계획이다. 그에 더해 두 곳이 더 입지를 검토 중이다. 여섯 군데를 합쳐서 총 240GWh의 생산 능력을 확보하게 되어, 유럽에서의 VW 그룹의 EV 점유율을, 2030년에 현재의 2배인 60%까지 증가시킬 계획이다.

 

<그림> 독일과 스웨덴의 셀 공장 위치(위). 비용 절감 내역(아래)

 

배터리 비용은 1kWh당 100유로(약 13만 원)가 안 되도록 낮출 예정이다. 엔트리 세그멘트 차량에서 50% 절감, 볼륨 세그멘트에서 30% 절감할 계획이다. 비용은 셀 설계, 생산 프로세스, 양극과 음극 재료, 배터리 시스템 등 다양한 측면에서 절감해나갈 예정이다.

 

배터리 셀은 엔트리, 볼륨, 고성능 특정 차량용, 이렇게 3가지 세그멘트를 준비한다. 엔트리 세그멘트와 볼륨 세그멘트는 사용하는 재료가 다르지만, 디자인과 포맷을 통일시킨 유니파이드 셀이 될 예정이다. 특정 차종을 위한 배터리 셀은 최첨단 고가의 재료를 적극적으로 사용하였기에, 기존의 배터리 셀보다 비용을 올리는 것도 예상하고 있다. 또한 디자인과 포맷은 다른 차종과 통일하지 않는다. VW 그룹에서는 포르셰가 고성능 셀을 개발하고 있다.

 

<그림> 준비하는 3종류의 전지의 용도(위). 사용하는 재료도 각각 다르다(아래).

 

엔트리 세그멘트에서 사용하는 양극재는 튼튼하고 비용 경쟁력이 높은 인산철, 볼륨 세그멘트는 니켈의 사용량을 대폭 절감할 수 있는 망간 계열, 특정 차종용은 가격이 비싸긴 하지만 주행거리를 확보할 수 있는 니켈 망간 코발트이다. 음극재도 두 종류를 사용한다. 하나는 그래파이트 계열, 다른 하나는 실리콘과 그래파이트를 조합한 것이다. 그래파이트 계열은 주행거리에는 큰 도움이 되지 않지만, 실리콘을 조합하면 충전 시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라 주행거리를 확대하는 데에도 효과적이다.

 

이처럼 재료 기술이 배터리 셀의 가치를 좌우한다는 점을 고려하여, 공급체인의 파트너십은 셀 생산보다 앞선 화학 및 재료 확보로까지 확장되어야 한다는 방침을 드러냈다.

 

<그림> 음극재는 충전 시간을, 양극재는 비용과 주행거리를 좌우한다(위). 공급체인에서 자원의 조달 및 재료 화학까지 커버한다(아래).

 

전고체 전지는 이러한 3가지 세그멘트에 포함되지는 않지만, 2020년대 중반 이후에 실용화할 계획이다. 전고체 전지는 충전 시간이 기존의 절반도 되지 않는다는 장점이 있다. 검증 단계에서는 12분에 90%까지 충전할 수 있음이 확인되었다. 또한 주행거리 역시 기존의 1.3배로 확대될 전망이다.

 

EV의 설계 사상도 변화하고 있다. 현재는 배터리 셀을 모듈에 조합하여 탑재하지만, 배터리 셀을 그대로 차량에 부착하려는 아이디어도 제시되었다. 이로 인해, 차량의 비용 및 구조의 복잡함을 해소할 수 있다.

 

리튬이온 전지의 재활용에도 힘을 싣고 있다. 2021년 1월부터 재활용 시설을 시험 운용하기 시작하였다. 차량에서 회수한 리튬이온 전지를 방전시키고, 시스템을 분해한 다음 셀을 분쇄한다. 분쇄한 배터리를 여러 가지 공정을 통해 세세하게 분류하고 나누면서 회수한다. 새로운 배터리의 재료로서 95% 이상을 재출하하는 것을 목표로 한다.

 

 급속 충전의 확충 및 V2H도

 

충전 인프라는 파트너와의 협력을 통해 확대한다. VW은 유럽에 공공 급속 충전기를 정비하는 데 4억 유로(약 5,300억 원)를 투자하였다. BP와의 협력을 통해 유럽 전역에 8천 개의 급속 충전소를 신설하고, 그중에서도 독일과 영국에서는 출력이 150kW인 급속 충전기를 증가시킨다. 또한 스페인의 주요 간선도로나 이탈리아의 고속도로, 도시부에도 파트너와의 협력하에 급속 충전기를 정비한다. 유럽 이외의 지역을 보자면, 북미에는 2021년 안에 3500개, 중국에는 2025년까지 17000개의 급속 충전기를 신설할 계획이다.

 

더욱이 2022년부터는 EV 전용 플랫폼 모델이 자택이나 건물에 대한 외부 급전(V2H, V2B)에 대응한다. 충전과 급전에 대응하는 월박스나 에너지관리시스템까지 패키지로 제공하려 하고 있다.

 

 

[2021 국내외 전기차(EV)ㆍ수소연료전지차(FCEV) 시장ㆍ사업화 전망과 핵심기술 개발전략] 보고서 상세보기
 
 
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