전고체전지(ASSB: All Solid State Battery) 개발 경쟁이 치열해지고 있다.
배터리 생산기업들은 포스트 LiB(리튬이온전지)로 전고체전지를 포함한 다양한 차세대 배터리를 개발하고 있으며 화학기업들도 혁신 배터리 소재 공급을 위해 제안을 가속화하고 있다.
LiB는 대용량의 전기를 기동적으로 사용할 수 있어 광범위한 용도에서 사용되고 있으나 전해액 때문에 폭발 혹은 발화를 일으킬 가능성이 있고 전해액 누출이나 셀 팽창, 사이클 열화, 저온에서의 성능 열화, 고온에서의 사용 불가능 등 다양한 과제가 부상하고 있다.
반면, 전고체전지는 LiB와 달리 가연성이 있는 전해액을 사용하지 않고 고체 전해질을 채용해 발화 위험이 낮으며 2차전지에 요구되는 장수명, 고내열, 고출력, 대용량 특징을 고루 갖추어 다양한 용도에서 채용이 기대되고 있다.
전고체전지용 고체 전해질은 리튬이온만 이동할 수 있는 무기 세라믹 소재로 구성하며 열에 강한 편이어서 장기간에 걸쳐 고장 없이 동작의 안정성을 유지할 수 있고 LiB를 사용할 수 없었던 고온, 극저온, 진공 등 새로운 환경에서도 사용이 기대되고 있다.
폭스바겐(Volkswagen)은 미국 퀀텀스케이프(QuantumScape)와, BMW는 미국 솔리드파워(Solid Power)와 협력해 전고체전지를 탑재한 전기자동차(EV)를 2025-2026년 출시할 계획이다.
국내 3사에 현대‧기아까지 전고체전지 개발 도전
삼성SDI는 2027년 이후 상용화를 목표로 전고체전지를 개발하고 있다.
삼성종합기술원은 2021년 3월 1회 충전당 주행거리가 800km에 달하고 1000회 이상 충전·방전이 가능한 새로운 전고체전지 연구 결과를 공개했다.
LG에너지솔루션은 2021년 미국 샌디에이고대학교(UCSD)와 공동연구를 통해 섭씨 60도 이상에서만 충전이 가능했던 기술적 한계를 넘어 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체전지 기술을 개발했다.
실리콘을 적용한 전고체전지 가운데 상온에서 충전·방전 수명이 500회 이상인 것은 LG에너지솔루션 개발제품이 처음인 것으로 알려졌다.
SK온은 미국 전고체전지 개발기업인 솔리드파워에 3000만달러(약 353억원)를 투자하고 공동으로 전고체전지를 개발하고 있다.
양사는 LiB의 NCM 양극재와 실리콘 음극재를 적용한 전고체전지 개발에 나서 에너지밀도 리터당 930Wh 이상을 구현할 계획이다.
일반적으로 사용되는 LiB의 에너지밀도가 700Wh인 것과 비교하면 33% 정도 뛰어난 성능이며 같은 크기 배터리를 탑재했을 때 1회 충전으로 700km 주행이 가능한 전기자동차가 930km를 주행할 수 있게 된다.
현대자동차·기아는 미국 전고체전지 생산기업인 팩토리얼에너지(Factorial Energy)와 공동개발협약(JDA)을 체결했으며 앞으로 팩토리얼에너지와 함께 전고체전지 셀, 모듈, 시스템 뿐만 아니라 배터리 양산과 실제 전기자동차에 탑재하는 단계까지 아우르는 통합적인 기술 개발을 추진할 계획이다.
이수화학은 황화물계 전고체전지 원료 황화리튬을 개발했다.
황화리튬은 전고체전지용 고체전해질의 원료로 사용되나 단가가 높아 황화물계 전고체전지 상용화를 가로막고 있으나, 이수화학은 자체 기술을 적용해 황화리튬을 저가에 공급할 수 있는 체제를 구축할 계획이다.
일본, 웨어러블 의료기기 용도부터 개척…
도요타자동차(Toyota Motor)는 전고체전지를 당장 전기자동차 구동용으로 사용하기에는 어렵다는 판단 아래 웨어러블(Wearable) 기기나 의료기기 등에 탑재할 수 있는 소형 배터리를 중심으로 시장을 개척하고 있다.
제조장치와 공장 자동화(FA) 등 산업기기용으로 적용이 가능할 것으로 기대하고 있으며, 자동차용은 비구동용 기기부터 채용을 시작하고 이후 기술혁신이 이루어지면 구동용 채용이 이루어질 것으로 판단하고 있다.
맥셀(Maxell)은 2021년 황화물계 고체전해질을 사용한 동전형 전고체전지를 출시했다.
직경 8-10밀리미터 사양에 황화물계의 특징인 출력과 수명이 우수하고 섭씨 200도를 넘는 내열성을 갖추었다는 점을 활용해 LiB 적용이 어려웠던 용도를 개척할 방침이다.
산업기기용을 중심으로 시장을 개척하고 웨어러블 기기나 보청기 용도로 확장하는 것을 목표로 하고 있다.
맥셀이 황화물계로 시장 개척에 나선 것과 대조적으로 대부분의 전고체전지 개발기업들은 산화물계를 선택하고 있다.
황화물계는 출력과 수명이 우수하나 황산을 포함해 취급이 어렵고 안전성 확보에서 산화물계가 더욱 유리하기 때문이다.
타이요유덴(Taiyo Yuden)은 산화물계 전고체전지를 2021년 개발해 순차적으로 출시할 계획이다.
적층 세라믹 콘덴서(MLCC)형으로 대형부터 1mm 이하 초소형 사이즈까지 제조할 수 있으며 무기 세라믹을 도입해 장기안정성을 확보하고 온도 범위가 영하 20도에서 영상 105도로 넓은 것이 특징이다.
2021년 고전압 타입인 3.2V형을 생산했고, 2022년에는 2.4V형을 양산하며 고체전해질의 안전성을 강조하면서 웨어러블 기기와 손목시계, 실시간 시계(RTC) 백업, 에너지 하베스팅 등 다양한 용도를 개척할 방침이다.
일본특수도업(NGK)은 산화물계로 용량 0.5-10Wh에 크기 30-110mm 사양 전고체전지 출시를 앞두고 있다.
란탄지르코늄산화물(LLZ) 고체전해질을 사용해 체적 에너지밀도 리터당 300Wh를 달성했으며 2022년 실증실험을 준비하고 있는 것으로 알려졌다.
항공우주 분야에서 인공위성과 드론(무인항공기) 채용을 목표로 하고 있으며 웨어러블 기기와 가축‧농작물 육성 관리 등 다양한 용도를 개척하고 있다.
자동차 분야에서는 전기자동차 구동용은 아니지만 기기 전원이나 긴급 시 백업전원 용도로 채용을 시도할 방침이다.
이밖에 무라타제작소(Murata Manufacturing), 히타치(Hitachi), 교세라(Kyocera), 도레이(Toray), 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical) 등도 전고체전지를 개발하고 있다.
맥셀, 동전형 소형전지로 산업용 공략
맥셀은 2021년 황화물계 고체 전해질을 사용한 직경 8-10mm 크기의 동전형 전고체전지를 출시했다.
이미 여러 타입으로 샘플을 공급하고 있으며 산화물계 고체전지와 비교해 출력, 수명이 우수한 황화물계 전고체전지의 특징을 살려 산업기기용으로 제안하는 것을 목표로 하고 있다.
맥셀은 2019년 9월부터 5V 고전압 및 고출력에 특화된 바이폴라 구조의 황화물계 동전형 전고체전지 샘플을 공급하고 있으며 2021년 3월 기판 표면실장에 대응한 황화물계 전고체전지를 개발한 바 있다.
전고체전지 연구개발(R&D)은 황산 취급이 어려워 황화물계보다 산화물계에 집중되고 있다. 황산은 수분과 만나면 화학반응을 일으켜 자극적인 냄새가 나는 가스를 배출할 수 있기 때문이다.
그러나 맥셀은 오랜 기간 배터리 사업을 영위하며 노하우를 충분히 축적했기 때문에 황화물계 개발에 자신감을 표명하고 있으며 산화물계는 내열성, 내습성 과제가 있지만 황화물계는 장수명, 고내열, 고출력, 대용량 특성이 뛰어나다는 강점을 살려 그동안 LiB로는 대응이 어려웠던 산업용 기기나 공장 자동화 시스템, 제조장치, 산업용 로봇 용도를 적극 개척할 방침이다.
현재 황화물계 전고체전지 샘플을 공급한 수요기업으로부터는 충‧방전 사이클이 수천회에 달해 거의 영구적으로 사용할 수 있다는 점에서 호평받고 있다.
자동차용도 주목하고 있으나 LiB와 같은 구동용이 아닌 자동차 탑재기기의 메모리 전원으로 투입을 기대하고 있다.
맥셀은 2030년 전고체전지 사업 매출을 300억엔으로 확대하고 수십퍼센트대 영업이익률을 확보할 수 있도록 전고체전지를 주요 사업 가운데 하나로 설정하고 집중 육성하고 있다.
현재 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 조성사업으로 1Ah급 라미네이트형 전고체전지도 개발하고 있으며 동전형 소형전지와 함께 중‧대형 시장에 대한 공세도 강화할 계획이다.
타이요유덴, 라인업 다양화로 웨어러블 수요 확보
타이요유덴은 MLCC 제조공법을 활용해 전고체전지를 생산하고 있으며 대형부터 1mm 이하 초소형까지 칩 형태로 공급이 가능한 것으로 알려졌다.
타이요유덴의 전고체전지는 불필요한 부반응이 없고 용량 대부분을 사용할 때까지 높은 전압을 유지할 수 있는 것이 특징이며 초소형화, 표면실장, 장수명, 넓은 온도 범위, 진공 대응 등의 특성을 살려 웨어러블 손목시계와 RTC(실시간시계), 에너지 하베스팅 용도로 제안할 예정이다.
2021년 사이즈 4.5×3.2×3.2mm, 평균 동작전압 3.2V, 전류용량 1.0mAh 사양 고전압‧유극성 전지를, 2022년에는 사이즈 4.5×3.2×3.2mm, 평균 동작전압 2.4V, 전류용량 0.7mAh 사양 무극성 타입 전지를 양산할 예정이다.
타이요유덴이 저온, 고온, 펄스방전 등 가혹한 환경에서 시험을 실시한 결과 전고체전지는 액계 버튼식 전지보다 전압 드롭이 작고 폭넓은 온도 범위에서 사용이 가능한 것으로 확인됐다.
액계 버튼식 전지는 저온에서 전압 드롭이 큰 편이지만 전고체전지는 영하 20도 저온에서도 전압 드롭이 경미했고 고온에서도 액계 버튼식 전지는 60도 이상 환경에서 동작을 보장할 수 없었지만 전고체전지는 100도에서도 문제없이 작동했다
소프트뱅크, 차세대 배터리 개발 주도한다!
차세대 배터리 개발 분야에서는 소프트뱅크(Softbank)가 앞서나가고 있다.
소프트뱅크는 2021년 6월 소프트뱅크 차세대 배터리 랩을 개설하고 관련기업이나 대학과 공동으로 대용량 전고체전지, 리튬금속전지 개발을 추진하고 있다.
전고체전지는 LiB에 사용되는 가연성 액체전해질 대신 고체전해질을 사용해 발화 리스크가 적고 안전성이 우수한 것으로 평가하고 있다.
소프트뱅크는 전고체전지의 우수한 안전성을 제대로 활용하기 위해서는 더욱 높은 전위에서 고용량화할 수 있는 소재를 개발해야 한다고 판단하고 스미토모케미칼, 도쿄(Tokyo)공업대학 연구팀과 공동으로 전고체전지에 적합한 고용량 양극재를 개발한 것으로 알려졌다.
현재 고용량 LiB에 사용되는 NCA(니켈산리튬)과 NMC(니켈망간코발트산리튬) 등 3원계 양극재 용량이 g당 약 220mAh인 반면 소프트뱅크 공동연구팀이 개발한 리튬 과잉계 양극재는 약 250mAh에 달하고 있다.
소프트뱅크는 앞으로 새로 개발한 양극재에 높은 이온전도도를 가진 LiOGePS12계 고체전해질을 조합하는 방식으로 고용량 전고체전지 실용화를 추진할 계획이며, 성층권 등 극한 환경에서 사용할 수 있는 전고체전지를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
소프트뱅크는 차세대 배터리를 연구개발하는 엔파워그린테크(Enpower Greentech)와도 공동으로 리튬금속전지 개발을 추진하고 있다.
음극에 리튬금속을 사용하는 리튬금속전지는 기존 LiB보다 에너지밀도가 2배 우수한 것으로 파악되고 있다.
리튬금속전지로 질량에너지밀도가 kg당 520Wh에 달하는 셀을 개발해 실증실험에 성공했으며 사이클 수명도 100 이상을 달성했다. 용량이 3600mAh로 현재 휴대폰에 사용되는 LiB와 비슷한 수준이나 중량과 체적은 LiB의 절반 수준이기 때문에 휴대전화에 적용하면 통화시간을 대폭 늘릴 수 있을 것으로 기대하고 있다.
배터리 케이스 설계를 통해 용량을 10Ah대로 향상시키고 고전압 및 고용량 양극재를 적용함으로써 kg당 400-500Wh급의 리튬금속전지를 실용화하는 것을 목표로 하고 있다.
화학기업, 포스트 LiB용 소재 제안 본격화
화학기업들은 전고체전지용 소재 제안에 박차를 가하고 있다.
닛폰케미칼(Nippon Chemical)은 소형 전고체전지에 적합한 기능성 인산염을 개발했다.
기존 인산을 사용하면서 독자적인 화학적 합성법을 응용해 인산티탄알루미늄이나 인산바나듐리튬, 인산코발트리튬 등을 개발했으며 고체 전해질과 양극활물질 용도로 제안할 예정이다.
오사카소다(Osaka Soda)는 전고체전지와 금속리튬전지용으로 개발한 전해질용 폴리머 제안에 총력을 기울이고 있다.
전극 충진제로 사용하면 전극 계면이나 내부의 이온 패스를 향상시킬 수 있으며 음극 보호층으로 사용하면 음극 표면 열화를 막을 수 있는 것으로 알려졌다. 폴리머 LiB의 고체 폴리머 전해질과 액계 LiB 분리막 도공제 등으로 적용이 가능할 것으로 기대하고 용도 확대에 박차를 가하고 있다.
제온(Zeon)은 리튬공기전지의 공기극 구조를 최적화할 수 있는 소재로 단층 CNT(Carbon Nano Tube)를 제안하고 있다.
고비표면적으로 활물질을 얇게 담지할 수 있는 다황화 리튬 담지 CNT 양극재도 갖추고 있으며 활물질의 도전 패스를 확보하는 용도로 제안하고 있다.
연료전지 분야에서는 도카이카본(Tokai Carbon)이 흑연화 카본블랙(Carbon Black)을 백금 촉매 담지제로 사용하는 방법을 제안하고 있다.
백금 입자 사이가 응집되지 않도록 카본블랙을 담체로 사용해 백금을 담지시키는 방식이며 입자경이 작고 높은 비표면적을 갖춘 카본블랙의 강점을 최대한으로 이끌어내고 있다.
사카이케미칼(Sakai Chemical)은 이산화티타늄(TiO2: Titanium Dioxide) 신제품을 연료전지와 수전해 셀 전극 소재로 제안하고 있다.
뛰어난 전자유도성과 전자공여성을 활용해 각종 활성금속을 담지시킴으로써 고체고분자형 연료전지의 애노드 촉매로 적용이 가능할 것으로 예상하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
