[백송칼럼]
전고체전지와 현대자동차
화학저널 2024.01.08

 

전고체전지 개발 경쟁이 한창이다.
국내에서는 삼성SDI가 한발 앞서가는 모양이나 일본 도요타자동차가 기술 개발이나 특허 측면에서 단연 선두를 달리고 있는 것으로 평가된다. LG에너지솔루션이나 SK온도 LFP(리튬인산철)와 함께 전고체전지 개발을 서두르고 있다.
전고체전지는 고체 전해질을 사용함으로써 LiB에 비해 안전성이 뛰어나고 주행거리도 길어 차세대 전기자동차용 배터리로 평가되고 있으나, 고체 전해질 개발이 쉽지 않아 2030년 이후 상용화될 것으로 예상된다. 개발 경쟁이 뜨거워 2-3년 앞당겨질 가능성도 있다.
일본 맥셀은 이미 동전 크기의 전고체전지를 개발해 상용화를 시도하고 있을 정도이다.
시장조사기업 트렌드포스(TrendForce)는 자동차기업의 적극적인 투자·연구에 힘입어 고활성 음극·양극이 통합된 전고체전지가 2030년에서 2035년경 대량 생산에 돌입할 것으로 예상하고 있다.
자동차기업들이 전고체전지 개발을 서두르는 것은 에너지밀도가 kg당 500Wh에 달해 액체 베이스 LiB에 비해 주행거리가 2-3배 길기 때문이다. 내연기관 자동차의 주행거리에 필적하는 것으로 평가된다.
현재는 전기자동차 대부분이 LiB를 사용하고 있으며, LiB는 양극재에 따라 크게 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리와 LFP 배터리로 구분되고 있다. NCM을 탑재한 자동차는 주행거리가 500-600km, LFP는 300-500km로 휘발유 자동차 600-1200km에 비해 크게 떨어지고 있다.
고용량 전극 소재를 사용하면 배터리 용량을 늘릴 수 있으나 고활성 소재를 LiB에 사용하면 충·방전 시 열폭주 위험성이 커 안전성에 문제를 일으킬 수 있다.
구조적으로 안정성이 뛰어난 고체 전해질 베이스 전고체전지가 안전성과 에너지밀도의 균형을 맞출 수 있는 최적의 배터리 솔루션으로 기대되는 이유이다.
고체 전해질은 황화물·산화물·폴리머 3가지로 분류되며 에너지밀도, 충·방전 효율, 안전성 측면에서 황화물계와 산화물계가 가장 적합한 소재로 평가된다. 황화물계는 일본 도요타가 주도하고 있다.
도요타는 많은 특허를 획득했음은 물론 전고체전지 개발을 목표로 파나소닉과 합작해 Prime Planet Energy & Solutions을 설립하고 2027년까지 전고체전지를 탑재한 자동차를 대량 생산할 계획이다.
반면, 중국 자동차기업은 산화물을 선택해 반고체전지 대량 생산에 착수했고, 유럽·미국은 황화물·산화물·폴리머를 모두를 개발하고 있는 것으로 알려졌다.
유럽에서는 메르세데스 벤츠가 2025년 전고체전지를 탑재한 신에너지 자동차를 출시할 예정이며, NIO·둥펑자동차·Seres 등 중국 자동차기업들은 2024년경 반고체전지를 탑재한 자동차를 공개할 것으로 알려지고 있다.
국내에서는 배터리 3사가 전고체전지 개발에 사활을 걸고 있음에도 불구하고 현대자동차가 그리 적극적이지 않아 문제가 되고 있다. 현대자동차가 수소자동차에 집중하고 있는 것을 모르는 바는 아니나 일본 도요타의 행보를 지나쳐서는 아니 될 것이다.
유럽에서도 독일계 벤츠, BMW 등이 중국에 뒤처지지 않기 위해 전고체전지에 관심을 기울이고 있으며 배터리 생산기업들과의 협력에 적극적인 것으로 파악된다.
전고체전지는 개발 경쟁이 한창임에도 불구하고 계면 접촉 시 임피던스(Impedance: 전류의 흐름을 방해하는 정도), 낮은 이온 전도도, 높은 코스트가 걸림돌로 작용해 대량 생산 일정이 불확실하나 기술 개발 흐름으로 보아 2030년 이전 상용화될 가능성이 있다.
삼성SDI를 비롯한 LG에너지솔루션, SK온 3사와 현대자동차의 분발을 촉구한다.

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