[산업일보]
공기질을 개선하고 친환경적인 전기차시장이 열리고 있다.

전기차의 빠른 시장 확산을 위해서는 합리적인 가격과 함께 기존의 내연기관 차량과 비슷한 수준의 성능이나 차별화된 강점을 줘야 구매로 이어질 수 있다. 전기차 제조의 선두에 서 있는 테슬라 전기차의 경우 초 단위의 제로백(정지 상태에서 시속 100km까지 걸리는 시간) 구현이나 고급세단 수준의 가격 구현이 이러한 시장의 가능성을 열어주고 있다. 다만, 범용화되기 위해서는 전기차에서 가장 핵심적인 역할을 하는 배터리가 현재보다 가격이나 성능, 무게의 개선이 필요한 실정이다.
이 때문에 세계 여러 기업들이 기존의 전기차에 사용되는 리튬이온배터리(Lithium-Ion Battery) 보다 더 높은 에너지 밀도와 범위, 더 큰 안전성 등의 가능성을 가지고 있다고 보는 고체배터리(Solid-State Batteries) 또는 전고체배터리(All Solid-State Batteries)를 차세대 배터리로 주목하고 있다.

전고체배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체하는 것으로 특히 무게와 부피를 줄일 수 있어서 차체 경량화에 큰 도움을 줄 것으로 기대되고 있다.

세계 기업들, 전고체배터리 개발에 박차

우리나라를 비롯해 미국, 일본, 유럽, 중국 등의 기업들과 유수의 연구기관에서 전고체배터리 개발이 한창이고 일부에서는 프로토타입, 또는 상용화단계에 있다는 발표도 나오고 있지만 차량용 전고체배터리 상용화는 2025년 이후가 될 것으로 보인다.

올해 3월 삼성전자 종합기술원에서는 삼성전자 일본연구소(Samsung R&D Institute Japan)와 공동으로 연구한 ‘전고체전지’ 혁신기술을 공개한 바 있다. 이에 따르면, 1회 충전에 800km 주행, 1000회 이상 배터리 재충전이 가능하다.

특히 삼성전자는 이 발표에서 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체전지 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C nanocomposite layer)을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 적용해 안전성과 수명을 증가시키는 한편, 기존보다 배터리 음극 두께를 얇게 만들어 리튬-이온전지 대비 크기를 절반 수준으로 줄일 수 있다고 밝혔다.

현대자동차도 이미 전고체배터리를 개발하고 있다고 밝힌 바 있으며 올해 9월 채용 공지를 통해 의왕연구소에 근무하며 차세대 배터리(전고체) 전극/셀/활성화/모듈/팩 신기술 개발을 위한 설계, 배터리셀 안성성 및 품질 평가, 소재 및 부품의 품질검사 등을 수행할 인력을 뽑는 공고를 올리기도 했다.

5~10년 이후 차량 탑재 전망

일본의 경우 도요타(Toyota Motor)를 비롯해 파나소닉(Panasonic), 혼다(Honda), 무라타(Murata) 등의 기업에서 전고체배터리 개발을 발표한 바 있다.

도요타는 ’25년까지 차량용 고체배터리를 개발하기 위해 파나소닉과 공동 프로젝트를 가속화하고 있다.

올해 8월 도요타와 협력하고 있는 교토 대학의 연구팀은 충전당 1000km EV 배터리 테스트를 시행했으며 프로토타입의 불소 이온화학물질을 사용하는 충전식 배터리의 프로토입을 개발했다고 THE DRIVE는 보도했다.

Automotive News와의 인터뷰에서 도요타 파워트레인의 부사장 Kaita는 ‘회사가 작동하는 프로토 타입을 가지고 있다’며 ‘그러나 안전성과 내구성 문제로 인해 고체배터리의 진정한 잠재력을 아직 활용하지 못했다. 고체배터리의 가장 큰 문제 중 하나는 수명이 짧다는 것이다. 충전을 반복하면 고장 나는 경향이 있다.’고 지적하며 ‘한계를 극복하기 위해 우리는 양극 또는 기타 재료를 조정하는 방법을 찾고 있으며 단점을 줄이기 위해 노력하고 있다.’고 밝혔다.


유럽에 본사를 둔 기업들도 전고체배터리 개발에 힘쓰고 있다.

폭스바겐(Volkswagen)은 ’25년까지 전고체배터리 생산 라인을 구축 목표로 밝힌 바 있다. 이 회사는 QuantumScape와 공동으로 전고체배터리 개발 작업을 위해 2018년, QuantumScape에 1억달러 투자한데 이어 올해 2억 달러를 추가 투자했다.

2010년에 설립된 QuantumScape는 캘리포니아주 산호세에 본사를 두고 있으며 고체배터리 기술에 대한 약 200개의 특허 및 특허 출원을 보유하고 있다.

BMW는 자동차에 탑재되는 고체배터리는 아직 실행 가능하지 않으며 2027년 이후에 출시 될 수 있다며 이 회사의 블로그를 통해 발표했다. 이에 따르면, 이렇게 개발이 지연되는 이유는 주변 온도보다 높은 작동 온도, 그리고 고속 충전에 대한 문제로, 이러한 문제가 비단 BMW뿐만 아니라 대부분의 연구자들이 겪은 문제일 것이라고 언급하고 있다.

미국 콜로라도에 본사를 두고 있는 솔리드파워(Solid Power)는 홈페이지를 통해 올해 10월 고체 황화물 기반 전해질을 사용하는 250개의 프로토타입 배터리 셀을 출하했다고 발표했다. 또한 이 회사 Buettner-Garrett CTO는 pv 매거진과의 인터뷰에서 현재 OEM은 2025~30년에 차량용 고체배터리 탑재를 목표로 하고 있으며 의료, 항공 우주 등 다른 분야에서는 2023년 이전에 탑재될 수도 있다고 밝혔다.