#<전고체 배터리란> <장점> <단점> <개발 경쟁 상황> <선두주자 도요타> <테슬라의 전략> <BMW "전고체배터리 도입"…삼성SDI?> <삼성SDI, '게임 체인저' 꿈꾼다>
전고체 배터리를 놓고 경쟁이 뜨겁다.따라서 전고체 배터리란 무엇인지? 장점,단점,개발 경쟁 상황과 선두주자 도요타의 무서운점,테슬라의 전략,BMW가 전고체 배터리를 도입하겠다고 발표하자 과연 삼성SDI와 또 손을 잡는지?전고체 배터리 개발이 경쟁 본격화되는 가운데 삼성SDI는 어디까지 왔는지를 포스팅 하겠다.
1.전고체 배터리란?
❶배터리 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 2차전지로 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리다.
▲한번 쓰고 버리는 전지를 1차전지라고 하고 여러 번 재충전이 가능한 전지를 2차전지라 하는데, 2차전지는 대부분 안전성과 효율성이 높은 리튬 이온전지다.
❷리튬이온배터리에 필요한 전해액과 분리막을 없애고, 비는 공간에 에너지밀도가 더 높은 물질을 집어넣는 것이다.
2.전고체 배터리의 장점
❶액체로 만들어진 기존 배터리는 양극과 음극이 만날 경우 화재가 발생할 위험이 있으나, 전고체 전지는 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만들기에 항상 고정돼 있어 구멍이 뚫려도 폭발하지 않고 정상 작동한다.
❷현재 가장 많이 사용되는 2차전지인 리튬이온 배터리의 경우 액체 전해질로 에너지 효율이 좋지만, 수명이 상대적으로 짧고 전해질이 가연성 액체여서 고열에 폭발할 위험이 높으나 전고체 배터리는 불연성 고체이기 때문에 발화 가능성이 낮아 내열성과 내구성이 뛰어나기 때문에 폭발이나 화재 가능성이 낮고 크기도 줄일 수 있다.
❸전고체 배터리는 안전성뿐만 아니라 확장성이 높아 용량과 두께 측면에서 플렉서블(휘는·flexible)배터리로 활용할 수 있어 리튬이온 배터리를 대체할 기술로 주목받고 있다.
❹전해질에 액체가 없어 초박막을 만들 수 있고, 양·음극을 여러 겹 쌓아 고전압·고밀도 배터리 구현이 가능하다.
❺리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높아 전기차의 주행 거리 향상과 충전 시간을 절약할 수 있고 대용량이 구현이 가능해 완전 충전할 경우 전기차의 최대 주행거리를 800km로 늘릴 수 있다.
❻기존 리튬이온 전지의 에너지 밀도는 255Wh/㎏ 수준이나 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/㎏까지 에너지 밀도가 올라가 부품이 덜 들어가는 만큼 무게도 가벼워진다.
3.전고체 배터리의 단점
❶전고체 전지는 고체 형태이다 보니 액체 전해질에 비해 이온 전도도가 낮아 출력이 낮고 수명이 짧다는 단점이 있다.
❷세계 산업계는 최대한 이온 전도도를 높일 수 있는 전고체 재료 찾기에 나서고 있고 유력한 재료로 꼽히는 것이 폴리머, 옥사이드, 인산염, 황화물 등 네 가지이나 각각 그 특성에 따른 장단점이 명확하다.
❸폴리머는 이온전도율이나 온도 변화에 대한 안정성이 떨어지지만 생산 용이성이 높아 보쉬에서 선제적으로 폴리머 전고체 전지 개발에 나선 상태다.
❹한편 옥사이드와 인산염은 이온전도율이나 안정성은 괜찮은 편이나 생산 용이성이 낮다.
❺산업계의 주목을 받는 물질은 황화물이며 이온전도율, 생산 용이성, 온도 변화에 대한 방어력 등이 두루 높아 도요타,삼성SDI 등 세계 제조기업에서 이를 기반으로 한 전고체 전지 개발에 열을 올리고 있는 것도 이 때문이다.
4.전고체 배터리 개발 경쟁 상황은?
❶전고체 전지의 실용화 시점은 2025년 안팎으로 예상되며,BMW는 전고체 전지 양산 시점을 2026년이라고 못 박고 있다.
❷LG에너지솔루션과 삼성SDI, 중국 CATL, 일본 파나소닉 등이 전고체 배터리를 개발 중이다.
❸주요 완성차 업체들도 전고체 배터리 개발에 뛰어들었고 일본 도요타는 2008년 차세대 배터리 연구소를 세우면서 정부, 학계와 함께 전고체 배터리를 개발한다고 발표했고,일본 도요타와 파나소닉은 자동차용 배터리 생산을 위해 '프라임 플래닛 에너지 앤드 솔루션스'를 설립했다.
❹독일 BMW는 미국의 연료전지기업 솔리드파워와 손잡고 전고체 배터리를 장착한 전기차를 2025∼2026년께 출시할 계획이다.
❺독일 폭스바겐은 퀀텀스케이프와 2025년까지 양산 라인을 구축하기로 했다.
❻국내에서는 2020년 5월 이재용 삼성전자 부회장과 정의선 현대차 수석부회장이 회동을 갖고 전고체 배터리 기술 개발 및 사업 협력 방안을 논의한 바 있으며 현대차는 남양R&D센터 배터리선행개발팀에서 전고체 전지를 개발하고 있으며, 어느 정도 기술력을 확보한 상태인 것으로 전해지고 있다.
5.선두주자 도요타의 전고체 배터리 개발을 어디까지 해왔나?
❶현재 전기차에 탑재되는 리튬이온배터리는 중국·한국이 높은 점유율을 갖고 있으나 일본은 차세대 기술인 전고체 배터리로 향후 주도권 확보를 노리겠다는 속셈이다.
❷보유 특허만 1000개를 넘어 세계 톱이고 다른 메이커에 앞서 2020년대 전반 실용화가 목표며 전고체 배터리 개발은 도요타가 가장 앞서 있어 2021년 시작차(試作車)를 공개, 성능 시험을 본격화 한다.
❸닛산도 2028년까지 자체 개발한 전고체 배터리를 실제 차량에 탑재할 계획이다.
❹도요타가 개발 중인 차량의 경우, 같은 조건의 리튬이온배터리를 탑재한 것과 비교할 때 2배가 넘는 500㎞ 주행이 가능해진다.
❺도요타가 올해에 기존 리튬이온배터리보다 더 작은 크기의 배터리로, 더 멀리 갈 수 있고 더 빨리 충전되는 전기차를 선보일 것은 분명해 보인다.
❻일단 이런 기술을 선보이는 것만으로도 업계에 파장이 일긴 하겠지만,양산이나 일반 판매용과는 거리가 멀 것이기 때문에 시장에 큰 영향을 주진 못할 것으로 예측된다.
❼도요타의 전고체 배터리 개발이 무서운 진짜 이유는 첫째,도요타의 배터리 개발 역사는 95년전으로 거슬러 올라가며 2008년 6월 도요타 히가시후지연구소에 연구원 120명으로 구성된 전지연구부가 만들어져 전고체 배터리 개발을 해왔다.
❽둘째,경영진이 기존에 연비가 가장 좋은 차보다 연비가 2배 좋은 차를 개발한다는 목표만 세웠을 때 하이브리드카 개발은 그 불가능해 보이는 목표를 달성하기 위한 수단을 찾다가 고육책으로 탄생한 점에 비추어 볼 때 어떻게든 달성해 내는 힘이다.
❾셋째,국립 연구개발법인인 물질·재료연구기구는 음극재에 실리콘을 이용해 용량을 10배 가량 높였고 도쿄공업대와 도요타자동차는 공동연구를 통해 고체 전해질을 개량해 출력을 향상시켰고 오사카부립대는 양극재를 바꿔 수명을 늘리는데 큰 전기(轉機)를 마련 하는등 전문성과 시스템으로 움직이는 산학연(産學硏)이 있다는 점이다.
❿넷째,전고체배터리 상용화는 소형 칩 형태의 소형·모바일기기부터 양산 준비를 거의 마쳤고 전기차배터리는 성능은 구현한다 해도 비용이나 양산 등에서 풀어야 할 과제가 많기에 아직은 아니라고 보고 2030년쯤 상용화 될 것이라고 본다는 점이다.
⓫다섯째,배터리 세계에서는 신기술이 갑자기 모든 시장을 집어삼키는 일이 일어나기 어렵다고 볼 뿐만 아니라 전고체 배터리 연구에서는 아직 미답(未踏)의 세계가 많고 어떤게 더 가능할지 그 한계를 아무도 모르며 도요타의 전고체 배터리 기술이 유망한 것은 맞지만 또 다른 방법이 있을 수 도 있다고 보는 무서운 발상이다.
6.그렇다면 전기차의 세계 최강자는 테슬라의 전략은?
❶테슬라는 전고체배터리 같은 ‘브레이크스루’ 기술 대신, 기존 리튬이온배터리의 성능을 더 향상시키고, 특히 가격을 크게 낮춰 대량 보급을 하겠다는 전략이다.
❷전고체배터리는 당장 상용화될 기술이 아니기 때문에, 지금 당장 전기차를 널리 보급해야 하는 회사로서는 쓸 수 없는 카드이므로 현재로선 이 전략이 맞을 수 있다.
❸도요타의 전고체배터리 기술이 아무리 뛰어나더라도, 양산능력 구축과 코스트 절감에는 시간이 꽤 걸릴 것이므로 그 사이에 테슬라가 압도적으로 많은 전기차를 보급하고 그 과정에서 리튬이온배터리의 양산기술을 더 발전시켜 전기차 배터리시장의 표준을 장악할 수도 있기 때문이다.
7.BMW "전고체배터리 도입"…삼성SDI와 또 손잡나 촉각
❶지난 20일(현지시간) BMW는 2025년까지 전고체 배터리 시제품을 개발하고 2030년까지 이를 탑재한 전기차를 양산하겠다는 계획을 밝혔다.
❷BMW가 전고체 배터리 차량 양산 시점을 밝힌 만큼 조만간 배터리 업체와의 협력도 구체화될 것이라는 전망이며,당장 BMW에 어떤 회사가 전고체 배터리를 공급하게 될지 촉각이 세워지고 있다.
❸주목되는 업체는 삼성SDI, CATL, 솔리드파워 등이다.
❹삼성SDI와 BMW는 2009년 전기차 배터리 공동 개발을 시작으로, 삼성SDI 배터리는 BMW i3·i8 등에 독점 공급됐고 2019년에는 삼성SDI가 BMW 그룹에 10년간 3조8000억원 규모의 전기차 배터리를 공급하는 계약을 체결했다.
❺지난해 전 세계 전기차 배터리 점유율 1위를 차지한 CATL 역시 BMW에 배터리를 납품하고 있다. CATL은 중국 정부의 지원을 등에 업고 전고체 배터리 개발에 기술력을 쌓았다.
❻미국 스타트업 솔리드파워도 유력 업체로 꼽힌다. 2017년 솔리드파워는 BMW와 차세대 전고체 배터리 기술 개발에 나섰다.
8.전고체 배터리 개발 경쟁 본격화..삼성SDI, '게임 체인저' 꿈꾼다
❶완성차와 배터리업계가 전고체 개발에 열을 올리는 이유는 바로 배터리 용량을 획기적으로 높일 수 있는 '게임 체인저'가 될 수 있기 때문이나 관건은 전기차 배터리의 핵심 소재인 전해질을 고체로 만드는 기술이다.
❷국내에서 전고체 배터리 개발에 가장 열을 올리는 기업은 삼성SDI이며,자체 개발 프로젝트 외에도 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력해 전고체 배터리 기술을 공동으로 개발하고 있다.
❸지난해 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 주행거리 800km, 1000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개하기도 했다.
❹전고체 배터리의 수명과 안전성을 높이면서도 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 담고 있는 이 연구내용은 세계적인 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재됐다.
❺삼성SDI 측은 "전기차가 더 멀리, 안전하게 주행하기 위해서는 전고체 배터리 개발은 꼭 필요하다"며 "현재는 요소기술 개발단계로 상용화를 위해 개발에 매진하고 있다"고 한다.
❻아무쪼록 토요타보다 늦게 출발 했지만 반도체에서 보다시피 일본을 추월 하는 한민족의 저력을 보여 주길 바라며 아울러 토요타처럼 전고체 배터리의 소형·모바일기기칩 상용화와 다른길에 대한 연구도 간과 하지 않았으면 한다.