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전고체 배터리 개발에 속도가 붙고 있다

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2021-03-02 11:23:51

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전고체 배터리 개발에 대해서는 토요타가 앞서 있는 것으로 알려져 있다. 보유 특허만 1,000개가 넘는다. 그러나 2020년 말 미국 퀀텀 스페이스와 2021년 초 중국 니오 각각 전고체 전지를 개발했다고 발표하면서 분위기가 갑자기 바뀌고 있다. 퀀텀 스페이스는 토요타와 마찬가지로 2025년 양상을 목표로 하고 있지만 니오는 2022년 실용화를 선언하면서 시선을 끌고 있는 것이다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

니오는 지난 1월 CATL 등과 8억 위안을 투자해 합작회사를 설립해 1회 충전 1,000km를 주행할 수 있는 전고체 배터리를 개발했다고 발표했다. 니오는 360Wh/kg의 초 고에너지 밀도를 달성한 전고체 배터리를 2022년 4분기 출시할 것이라고 밝혔다.  150kWh 팩으로 출시될 것이며 기존 모델에 대해 교체 및 업그레이드가 가능하다고 덧붙였다.

이를 통해 니오의 모델 ES8의 경우 850km를 주행할 수 있으며 새로 선보일 ET7은 1,000km를(NEDC기준)을 커버할 수 있다고 주장했다. 다만 2022 년 1 분기에는 70kWh 및 100kWh 팩으로 만 제공된다고 한다.

이 새로운 배터리는 Nickel-Ultrarich Cathode 및 Si / C 복합 양극을 포함한 여러 기술을 결합한다고 밝혔다.

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미국 스탠포드 대학에서 벤처기업으로 창업해 폭스바겐과 마이크로소프트의 빌게이츠 등이 출자해 화제를 모았던 퀀텀 스케이프(Quantum Scape)도 2020년 12월 8일, 전고체 전지 기술의 세부 사항을 발표했다. 중량 당 에너지 밀도는 350~450Wh/kg, 부피 당 에너지 밀도는 1,000Wh다.

니오는 전해질 재료가 액체가 아닌 액체를 일부 섞거나 반고체 겔 상태의 재료를 사용하며 퀀텀도 유기계 겔을 사용한다는 점에서 비슷하지만, 토요타는 황화물계를 사용하는 등 차이가 있다. 전고체라고 해도 완전 전고체를 사용하는 예도 있고 겔 상태가 있으며 그 중간 성격인 하이브리드 타입도 있다. 이를 통틀어 Solid State Battery (SSB)라고 칭한다.

액체 전해질의 경우 분리막이 없으면 압력 등으로 단전된다. 유화물질 또는 유기용제를 사용하기 때문에 폭발 및 인화 위험성도 있다. 전해질이 고체라면 전극은 전해질에서 분리되어 있기 때문에 각각의 분리막은 필요 없다.

따라서 온도변화와 외부 충격에 대비한 안전장치 및 분리막이 필요 없으므로 같은 크기로 원가절감과 고용량을 구현할 수 있다. 그동안 화재와 폭발 위험 때문에 사용하지 못했던 리튬 금속을 음극활물질로 사용할 수 있다는 점도 장점이다.

보쉬에 따르면 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 300Wh/L, 출력 밀도는 8,000W/L가 한계라고 한다. 이에 비해 전고체 전지는 400에서 800Wh/L전후의 에너지 밀도를 커버할 수 있다. 에너지밀도가 높은 만큼 같은 크기로 높은 용량의 배터리가 탑재될 수 있다.

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토요타는 전고체 배터리의 연구개발 중 LGPS라고 하는 새로운 소재로 만든 전고체 배터리는 리튬 이온 배터리보다 3배의 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있었다고 한다. 영하 30도, 영상 100도에서도 안정된 충·방전이 가능한 것도 확인됐다. 빙점하의 저온과 물이 끓는 수준에서도 작동하는 것도 전해질이 고체인 것의 장점이다.

전고체 배터리의 기초기술 실용화에는 양산 등 제조 기술의 문제가 있다. 고체 전해질을 어느 정도 무게의 전지 형태로 할 것인가 하는 문제도 그중 하나다. 실험용으로 코인형이나 원통형으로 만드는 것은 그다지 어렵지는 않다. 하지만 전기차처럼 대용량, 대 출력으로 하면 셀을 여러 장 집적한 모듈을 만들어야 한다.

현재 전고체 전지 개발을 선언한 업체는 이 외에도 중국의 CATL이 2026년 이후, 웰리온이 2022년, 고숀이 2025년, 칭타오(Qingtao Energy Development)가 2020년, 대만의 홍하이(폭스콘)가 2024년, 프롤로기움이2022년, 미국 솔리드 파워가 2023년, 영국 옥시스 에너지가 2023년 양산을 목표로 개발을 추진하고 있다.

국내에서는 현대자동차그룹이 남양연구소 배터리 선행개발팀을 중심으로 전고체 배터리를 개발 중이며, 일부 기술을 확보한 것으로 알려져 있다. 배터리 전문업체로는 삼성 SDI가 가장 적극적이지만 2027년 이후로 양산 시점을 잡고 있다. 물론 그 외에도 전고체 관련 기업으로는 배터리 제조설비업에 씨아이에스를 비롯해 이바코, 동화기업, 이수화학 등이 있다. 현대자동차도 2020년 전고체 전지 개발을 선언했으며 국내 스타트업 기업들도 완성단계에 와있다는 뉴스가 나와 있지만 아직 구체화한 내용은 없다.

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한편 전고체 전지도 충·방전 사이클 수명이 중요한 요소다. 충·방전 문제를 충족하지 못해 다양한 아이디어가 사라진 것이 전지 업계의 역사다. 에너지 밀도 등의 성능이 아무리 높아도 충·방전 사이클 수명을 공개하지 않는 경우는 아직은 확실치 않다는 얘기일 수도 있다. 위에 언급한 업체 중 니오와 CATL, 칭타오, 홍하이, 토요타 등은 충방전에 대한 데이터를 제시하지 않았다. 미국 솔리드파워는 250회 이상, 퀀텀은 1,000회, 영국 옥시스는 6~100회 등이므로 개발은 진행하고 있지만 아직 장벽이 작지 않다는 것을 의미한다.

이는 배터리 전기차가 필요로 하는 2,000~3,000회 충전 후 용량 유지율 80% 이상이라는 요건을 충족 개발 사례는 많지 않다. 이런 문제점을 피하고자 니오는 배터리 교체 사업을 적극적으로 추진하고 있다고 한다.

리튬 이온 배터리는 그동안 부피와 에너지 밀도, 가격 등에서 많은 발전을 이루었지만 최근 들어 정체 상태를 보인다. 특히 화재 발생으로 인한 안전성 논란도 확대되고 있다. 배터리 전기차의 판매가 급증하는 상황에서 자동차회사들에는 배터리의 안전성 등 품질 해결이 급선무다. 그중 가장 기대를 하는 것이 전고체 배터리다.

전고체 배터리는 리튬 이온과 작동원리는 같지만, 전지의 구성 요소 중 전해질을 고체로 바꾸어 온도 변화와 외부 충격에 따른 화재와 폭발 위험성이 낮다. 또 전고체 배터리는 액체의 전해질을 사용하지 않기 때문에 전극의 쇼트를 막는 분리막이 필요 없다는 특징도 있다. 분리막은 절연체인데 리튬 이온을 통하는 섬유소재로 만들어진다.
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