일본, 소형 웨어러블 시장부터 공략 … 도요타‧닛산, 2028년 상용화

전고체전지는 상용화가 본격화될 것으로 예상된다.
전고체전지는 고체전해질이 전해액과 분리막 역할을 하며 가연성이 있는 전해질을 함유하지 않아 LiB(리튬이온전지)에 비해 화재 리스크가 낮은 것이 특징이다.
장수명, 고내열, 고출력, 대용량 등 기존 2차전지의 특성을 그대로 가지고 있어 일정 수준의 기술 개발이 완료되면 광범위한 용도에서 사용될 것으로 기대되고 있다.
맥셀(Maxell)은 경쟁기업보다 선제적으로 황화물계 고체 전해질을 사용한 전고체전지를 출시할 예정이다. 먼저 동전형으로 소형 전지부터 투입하며 산업기기 분야를 개척하고, 산화물계도 2022년 이후 출시할 계획이다. 웨어러블(Wearable), 보청기 등 의료기기와 백업 전원 용도 등을 주목하고 있다.
맥셀은 전고체전지를 소형 용도부터 공략하나 대형과 자동차 탑재용을 최대 용도로 설정하고 있으며 2030년경 본격적인 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.
전고체전지는 황화물계를 맥셀이 주도하고 있는 반면 산화물계는 신제품 개발 경쟁이 치열한 것으로 파악되고 있다.
맥셀은 2021년 9월부터 5V 황화물계 고전압 타입의 샘플을 공급하고 있다.
산화물계에서는 다이요유전(Taiyo Yuden)이 2021년 말 고전압 타입 3.2V를 출시했고 2022년 2.4V 양산을 시작할 예정이다. 다이요유전은 전고체전지를 적층 세라믹 컨덴서(MLCC) 형태로 공급하며 대형부터 1mm 이하 초소형까지 제조할 수 있다.
일본특수도업(NGK)은 2022년 산화물계 실증실험에 참여하며 항공‧우주 분야에서 인공위성, 드론(무인항공기) 용도를 공략할 계획이다.
차세대 배터리 개발도 진행되고 있다.
일본전기초자(NEG)는 최근 전고체나트륨이온2차전지 개발에 성공했으며 용도를 특정하지 않고 시장 확대에 대응하기로 했다. 전극‧음극‧고체전해질을 모두 산화물로 제조해 안전하며 나트륨을 원료로 사용해 코스트 절감에도 도움이 될 것으로 예상된다.
최근 전기자동차(EV) 보급 확대로 리튬 가격이 급등하고 있으나 나트륨은 해수에 다량 함유돼 있어 저가라는 특징이 있다. 다만, 아직은 제조코스트가 높은 편이며 NEG만이 생산할 수 있어 글로벌 시장 확대를 주도하기 어렵다는 과제가 부상하고 있다.
NEG는 2025년경 본격적인 투입을 목표로 연구개발(R&D)에 집중하고 있다.
전고체전지를 탑재한 자동차 개발도 본격화되고 있다.
도요타자동차(Toyota Motor)는 2020년 8월부터 전고체전지 탑재 자동차의 시험 주행을 진행해 액체계 LiB를 능가하는 성능을 확인한 것으로 알려졌다. 고출력형 배터리를 하이브리드자동차(HV)부터 탑재할 계획이다.
닛산자동차(Nissan Motor)는 2028년까지 전고체전지를 탑재한 전기자동차를 출시하기로 했다. 자체 개발한 배터리를 탑재할 예정이며 자동차 탑재에 요구되는 기본 성능을 확립함에 따라 양산화를 준비하고 있다.
전고체전지는 현재 자동차 배터리에서 주류를 이루고 있는 LiB보다 에너지밀도가 높고 넓은 작동온도 범위, 누액 위험이 없다는 점에서 안전성이 우수한 것으로 평가되고 있다.
용도별로 다양한 전해질 연구가 진행되고 있으며, 특히 황화물계 고체 전해질을 사용한 전고체전지는 뛰어난 이온전도도를 통해 자동차 용도 뿐만 아니라 전원용 대형 배터리로도 사용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
도요타자동차와 닛산자동차는 실증실험에서 고출력, 주행거리 연장, 고속충전 대응 등 자동차용으로 요구되는 다양한 조건을 실험하고 일정수준 성과를 얻은 것으로 알려졌다.
황화물계 고체전해질은 물과 반응하면 유해한 황화수소가 발생하기 때문에 양산환경 확립과 내수성 등이 과제가 되고 있다.
닛산자동차는 2024년까지 요코하마(Yokohama) 공장에 파일럿 라인을 도입해 양산조건을 검증하고 전고체전지 코스트를 2028년까지 kWh당 75달러로 낮출 방침이다. 이후 휘발유 자동차와 비슷한 수준인 65달러로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
도요타자동차는 전고체전지 탑재 자동차 주행시험에서 배터리 내부의 이온 고속이동과 고전압, 고온내성 등을 실험하고 있으며, 앞으로 하이브리드자동차용으로 고출력형 배터리와 고체소재를 효율적으로 결합시킨 프로세스 개발에 나설 계획이다.
전기자동차용 고용량 배터리는 수명 확보가 과제이기 때문에 장기간 사용에서 발생하는 고체전해질과 음극활물질의 간극을 억제할 수 있는 소재 개발에 나서고 있다.
전고체전지 탑재 자동차는 판매 초기에 현재의 전기자동차보다 고가를 형성할 것으로 예상되나 도요타자동차와 닛산자동차는 전고체전지 성능을 강화하고 가격을 낮춘다면 전기자동차 운전자들을 공략하기에 충분할 것으로 판단하고 있다. (강윤화 선임기자)