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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

195. 파워트레인의 미래 - 60. 전고체 전지는 정말로 게임체인저일까?

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2022-04-21 12:31:45

본문

지난 해 3월과 11월에 이어 다시 배터리 관련 이슈를 정리해 본다. 첫 번째는 글로벌 완성차회사들이 자체적인 배터리 공급망 확보를 위해 배터리 셀 업체들과 협력해 배터리 공장을 건설한다는 내용을 소개했었다.(참고 : 배터리 전쟁, 그 2라운드의 서막) 두 번째는 배터리 셀 원자재와 안전성 문제 급부상, 리튬인산철 배터리의 부상, 전고체 전지에 대한 다른 시각, 그리고 배터리 셀 내재화의 길에 나선 완성차 업체들을 정리했었다. (참고 : 전기차 배터리 전쟁 2라운드, 차세대 배터리 셀 개발) 이번에는 현 상황에서 나타난 배터리 관련 이슈와 전고체 전지에 대한 시각 들을 정리해 본다.


글 / 채영석(글로벌오토뉴스 국장)

2021년에는 완성차업체들의 배터리 물량 확보에 대한 뉴스가 넘쳐났고 지금도 계속되고 있다. 하지만 지금 전기차의 판매는 뉴스에 등장하는 것만큼 많지 않다. 시장별로 차이도 크고 중국과 유럽에 85%가 편중되어 있다. 2021년 전기차 판매 상위 20개 업체 중 12개가 중국업체였다.

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                                                        *업체별 배터리 용량 확보 목표

 

앞으로의 판매를 보장하려면 배터리 문제가 해결되어야 한다. 메이저 업체 중 현대차그룹은 2030년 배터리 소요량이 현대차가 170GWh, 기아가 119GWh로 289GWh 가 필요할 것으로 예상했다. 폭스바겐은 240GWh 생산 능력의 6개 기가 팩토리를 2030년까지 설립할 예정이다. GM은 2023년 143GWh, 2025년 286GWh, 토요타는 2030년까지 연간 200GWh를 목표로 하고 있다.

참고로 200GWh의 배터리 생산 규모는 한번 충전으로 400km를 달리는 전기차를 300만대 정도 만들 수 있는 양이다. 물론 업체마다 그 기준도 차이가 있다. 구성하고 있는 라인업의 크기 차이 때문이다. 토요타는 연간 350만대의 전기차를 생산하려면 280GWh의 배터리가 필요하고 100개의 생산라인을 구축해 안정적으로 유지해야 한다고 보고 있다.

위에 언급한 네 개 회사들의 2030년 배터리 목표 용량은 1,006GWh다. 단순 계산으로 이들만으로 좁혀도 얼추 1,000개 가까운 배터리 공장이 필요하다는 계산이 나온다. 글로벌 메이커들을 합하면 심하게 말하면 전 세계가 배터리 공장이 되어야 한다는 얘기가 된다. 역으로 200GWh로 300만대를 충당한다면 네 개 업체의 전기차 생산 가능 대수는 1,500만대가 된다.

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그 외 BMW는 5개, 메르세데스 벤츠는 8개의 배터리 셀 공장 건설 계획을 발표했지만, 용량은 밝히지 않았다. 스텔란티스는 2030년 연간 500만대의 전기차 판매 목표를 설정하고 ACC와 120GWh, LG에너지솔루션과 45GWh 를 생산하기로 했다. 르노닛산미쓰비시얼라이언스는 200GWh를 목표로 하고 있다. 포드는 배터리 셀 생산공장 이온파크를 건설하고 있으며 SK온과 합작회사 블루오벌SK를 통해 129GWh를 생산한다는 목표다. 포드는 폭스바겐으로부터의 아웃소싱 의존도도 높이고 있다. LG에너지솔루션과 40GWh 공장 건설을 추진하고 있는 혼다도 GM의 얼티움 배터리에 의존할 것으로 보인다.

2021년 전기차용 배터리 사용량이 296.8GWh라는 것을 감안하면 천문학적인 수치가 된다. 배터리 업체를 중심으로 보면 CATL은 현재 145GWh 의 생산 능력을 갖추고 있으며 2026년까지 579GWh 용량의 공장을 건설할 계획이다. LG 에너지솔루션도 한국 내 22GWH의 기존 공장을 포함한 155GWh 용량과 지금 건설 중인 것을 합하면 443GWh에 달한다. SK온은 2030년까지 500GWh를 목표로 하고 있으며 납품이 확정된 물량인 수주 잔고가 1,600GWh 에 달한다. 삼성 SDI 는 현재 41GWh의 용량인데 올 해 말까지 헝가리 공장이 완공되면 54GWh로 늘어난다. 세계 최대인 네 개 회사만 합해도 1,576GWh 다. 물론 이 수치에는 위에 언급한 완성차업체들의 그것과 중복되는 부분이 있다. 그 외 폭스바겐의 합작사인 중국 고숀하이테크도 2025년까지 300GWh 를 생산한다는 목표를 설정하고 있다. 

그런데 전기차용 배터리 수요는 2030년에 2,000GWh에서 3,000GWh에 달할 것이라는 전망이 나와 있다. 좋게 이야기하면 새로운 먹거리가 등장하는 것이다.


미·중 전쟁 / 코로나19 / 우크라이나 전쟁으로 증폭된 원자재 문제
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이런 수치상의 계산이 실현되는 것이 지금으로써는 어렵다는 것이 중론이다. 그래서 현실적인 차선책을 택한 업체들이 있다. 현대차그룹과 폭스바겐그룹은 발 빠르게 전용 전기차 플랫폼을 베이스로 한 제품을 출시해 시선을 끌고 있지만 GM과 토요타는 상대적으로 늦다. GM은 시작은 빨랐으나 트럼프 정권이 환경규제를 완화하면서 2016년에 발표한 2023년까지 20대 이상의 전기차 출시 계획이 후퇴한 것이다. 그래서 2020년 3월 전기차 전용 얼티움 플랫폼을 발표하고도 속도를 내지 못했다. 그리고 바이든 정권으로 바뀌면서 2021년 초 전기차회사로의 전환을 선언했고 10월에 새로운 로드맵을 발표하기에 이른 것이다.<참고 : 러시아 우크라이나 충돌, 본격적인 다극화로 자동차산업 리스크 증폭)

토요타는 전동화에 대한 사고방식에서는 여전히 독자적인 길을 가고 있다. 2021년 말에 당초 200만대보다 150만대 증가한 350만대 전기차 판매 목표를 제시하면서 토요타와 렉서스 브랜드의 전기차를 올해 안에 출시한다고 발표했다. 하지만 궁극적으로 배터리 공급에 대한 문제 해결이 필요하다는 시각은 변함이 없다. 더불어 하이브리드 전기차를 통해 축적해 온 배터리 매니지먼트 기술을 바탕으로 차세대 배터리가 등장하면 빠른 속도로 전환할 수 있다는 생각을 갖고 있다. 그중 하나가 전고체 배터리다.

지금 배터리는 반도체와 함께 자동차회사들의 최대 도전 과제다.

미·중 무역전쟁과 코로나19로 시작된 반도체 공급망 문제가 러시아와 우크라이나 전쟁으로 인해 배터리 원자재 문제로 확대됐다. 자원의 고르지 못한 분배 문제, 전 세계적인 인수 경쟁, 노동 문제 등으로부터 소재를 확보하는 것이 더 어려워진 것이다. EV를 대량 생산하더라도 필수 배터리를 조달하지 못할 위험이 있다는 것이다. 특히 미·중 패권전쟁의 틈바구니에서 세계는 지금 혼란에 빠져 있다.

예를 들어 중국금융경제연구소 전병서 소장은 한국은 중국에 절대적으로 의존하는 원자재가 1,800종이 넘는다며 이 문제를 외교적으로 신속히 해결해야 할 과제라고 지적하고 있다. 그중에서도 반도체의 원자재인 실리콘의 60%가 중국에서 생산되며 배터리의 원자재인 니켈도 중국기업들이 생산에 핵심적인 역할을 하고 있다. 리튬이온 배터리의 경우 음극 소재를 흑연에서 실리콘으로 대체하고 양극 소재도 값비싼 코발트 기반에서 하이니켈 기반으로 바꾸는 시도가 진행 중인데 그로 인한 원자재 문제도 간단하게 해결될 문제가 아니다.(참고 : 배터리 전기차, 리튬인산철, 그리고 수산화 리튬)

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니켈 외에도, 철, 알루미늄, 팔라듐 가격이 급등하며 테슬라는 벌써 신차 판매 가격을 5%가량 인상했다. 팔라듐도 러시아가 전 세계의 약 40%를 차지하고 있다. 팔라듐의 약 3분의 2는 배기가스 사후 처리를 위한 촉매제에 사용된다. 러시아의 팔라듐 공급이 중단되면 하이브리드 전기차를 포함한 많은 차량 생산에 영향을 미칠 수밖에 없다.

첨단 기술을 확보하고 있어도 일차적인 원자재 문제가 해결되지 않으면 공장 가동이 멈출 수밖에 없다는 것이다.

당연히 이들 원자재 가격은 폭등하고 있고 그로 인해 자동차는 물론이고 많은 공산품의 가격이 인상되고 있다. 수요가 급증하지는 않는데 공급이 한정된 상황이기 때문이다. 현시점에서 배터리 가격은 CATL과 LG에너지솔루션의 경우 kWh당 100달러 선으로 잡고 있다. 실제 시장에서의 가격은 2020년 188달러에서 2021년 말 143달러로 하락했다. LG화학 측은 2030년경에는 93달러까지 떨어질 것으로 전망하고 있고 테슬라는 2021년 배터리 데이를 통해 3년 이내에 지금의 절반 가격으로 낮추겠다고 했다. 물론 테슬라는 4년 전에도 같은 전망을 제시했으나 실현되지 않았다.

최근 우크라이나 전쟁으로 두드러진 원자재 문제를 보면 전기차 시대로의 전환이 만만치 않다는 것은 누구나 알 수 있다. 특히 원자재 문제가 IT 등 첨단 기술보다 더 중요한 이슈로 부상하면서 앞으로의 상황을 더 어렵게 하고 있다.

전기차로의 전환이 미래에 실제로 세계에서 발생할 수 있을지 여부는 배터리 기술의 개선에 달려 있다. 현재 수준의 확장이 아닌 혁신적인 배터리가 지난 몇 년 동안 나타날지에 대해서는 아직 아무런 예측을 할 수 없는 상황이다.


자동차용 전고체 전지 상용화 시기는 아직 불확실
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폭스바겐 그룹 부품자회사 CEO 토마스 슈말은 전고체 배터리를 사용한 자동차를 양산하는 자동차회사가 주도권을 장악할 것이라고 말하고 있다. 폭스바겐은 그 시기를 2025년~2026년으로 잡고 있다.

시기에 대해서는 닛산은 2024년 시험생산, 2028년 완성이라는 목표를 제시했지만, 최근에는 그것이 불가능할 수도 있다고 밝힌 바가 있다. 물론 완성차업체 독자적으로는 어렵고 대부분 배터리업체와 협력해야 한다.

그 전에 미국 스탠퍼드 대학에서 벤처기업으로 창업해 폭스바겐과 마이크로소프트의 빌 게이츠 등이 출자해 화제를 모았던 퀀텀 스케이프(Quantum Scape)도 2020년 12월, 전고체 전지 기술의 세부 사항을 발표했다. 중량 당 에너지 밀도는 350~450Wh/kg, 부피 당 에너지 밀도는 1,000Wh다. 퀀텀 스케이프는 음극재가 필요 없는 전고체 전치를 2025년 양산을 시작해 폭스바겐에 납품한다는 계획을 발표했었다.

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

시장조사기관 SNE리서치는 전고체 전지 시장이 2021년 2GWh에서 2030년 135GWh로 확장할 것이라고 추정했다. 2035년부터는 전고체 전지 대세화가 이뤄질 것으로 보고 있다.

물론 이런 목표 수치는 현재로서는 의미가 없다는 것이 중론이다. 유튜브를 통해 애널리스트들이 주가를 끌어 올리는데는 도움이 되겠지만 지금의 기술 수준으로는 어느 업체도 자동차용 전고체 전지의 상용화 시점을 특정할 수준에 있지 않다는 것이다.


전고체 전지의 기술적 특징 및 상용화 노력
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전고체 전지는 가전제품 등에 사용되는 소형에서는 실용화가 이루어졌지만, 자동차용은 다른 얘기이다. 전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 고체로 대체해 지금 쓰이는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높고 안전성이 높은 것으로 알려져 있다.

그러나 에너지 밀도를 높이기 위해 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리의 경우 온도에 민감해 60도 이상에서만 충전이 가능하고 속도가 느리다는 점이 한계로 지적돼 왔다. 또한 전해질 재료의 성능이 아직은 불충분하고 고체라서 사용할수록 내부 전기 저항이 증가해 수명이 짧아진다는 한계를 극복해야 한다. 

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.

LG에너지솔루션은 이 문제를 해결하기 위해 UCSD 공동 연구팀과 함께 전고체 배터리의 음극에서 도전재(전도성을 높이는 물질)와 '바인더(도전재를 잘 붙게 하는 물질)'를 제거하고, 5㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만분의 1m) 내외의 입자 크기를 가진 '마이크로실리콘 음극재'를 적용했다고 발표했다. 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재보다 10배 높은 용량을 가져 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있는 필수 소재로 손꼽히지만, 충·방전이 중 큰 부피 변화 때문에 실제 적용이 까다로운 소재이다.

LG에너지솔루션은 500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80% 이상의 잔존 용량을 유지할 수 있고 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도를 약 40% 높일 수 있다며 LG에너지솔루션이 전고체 배터리 난제 중 하나를 해결해 상용화를 위한 기술적 진일보를 이뤄냈다고 밝혔다.

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LG에너지솔루션은 2021년 9월에는 상온에서 충전할 수 있는 전고체 배터리 기술을 개발했다. LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고 대학(UCSD)과 공동으로 기존 60도 이상에서만 충전할 수 있었던 전고체 배터리의 기술적 한계를 넘어 상온에서도 빠른 속도로 충전할 수 있는 장수명 배터리 기술을 개발했다고 밝혔다. 실리콘을 적용한 전고체 배터리 중 상온에서 충·방전이 수명이 500회 이상인 건 이번이 처음이라고 한다. 공동 연구 결과는 과학저널 '사이언스(Science)'지에 실렸다.

삼성 SDI도 2027년 이후를 목표로 전고체 전지를 개발하고 있다. 삼성SDI는 최근 수원에 전고체 전지용 파일럿 라인(S라인)을 착공했다. 6500제곱미터(㎡) 규모로 조성되는 S라인에는 고체전해질 공정 설비 등 관련 인프라가 꾸려진다. 2020년 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 주행거리 800km, 1,000회 이상 충·방전이 가능한 전고체 배터리 연구 결과를 공개하기도 했다. 전고체 배터리의 수명과 안전성을 높이면서도 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 담고 있는 이 연구내용은 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재되기도 했다

전고체 전지에서도 충·방전이 사이클 수명이 중요한 요소다. 충·방전이 문제를 충족하지 못해 다양한 아이디어가 사라진 것이 전지 업계의 역사다. 에너지 밀도 등의 성능이 아무리 높아도 충·방전이 사이클 수명을 공개하지 않는 경우는 아직은 확실치 않다는 얘기일 수도 있다. 위에 언급한 업체 중 니오와 CATL, 칭다오, 홍하이, 토요타 등은 충·방전에 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 않다는 것을 말한다. 또한 전고체 전지로 바뀌어도 리튬을 사용해야 한다는 점도 걸림돌이다. 최근 리튬 가격이 폭등하고 있는 것도 문제다.


누가 노벨화학상을 받을 것인가?
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전고체 전지 개발에 대해서는 토요타가 보유 특허만 1,000개가 넘는다. 그러나 2020년 말 미국 퀀텀 스케이프와 2021년 초 중국 니오 각각 전고체 전지를 개발했다고 발표하면서 분위기가 갑자기 바뀌었다. 퀀텀 스케이프는 토요타와 마찬가지로 2025년 양상을 목표로 하고 있지만 중국 니오가 2022년 실용화를 선언하면서 시선을 끌었다. 앞서 언급했듯이 아직은 상용화와는 거리가 있다.

중국의 니오는 2021년 1월 CATL 등과 8억 위안을 투자해 합작회사를 설립해 1회 충전 1,000km를 주행할 수 있는 전고체 배터리를 개발했다고 발표했다. 니오는 360Wh/kg의 초고에너지 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 2022년 1분기에는 70kWh 및 100kWh 팩으로만 제공된다고 한다.

이 새로운 배터리는 하이니켈 음극재 및 실리콘 카바이드 복합 양극을 포함한 여러 기술을 결합한다고 밝혔다.

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/L 전후의 에너지 밀도를 커버할 수 있다. 에너지밀도가 높은 만큼 같은 크기로 높은 용량의 배터리가 탑재될 수 있다.

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.

닛산도 2028년 실용화를 목표로 전고체 배터리의 고체 전해질로 리튬, 게르마늄, 인 및 황 (리튬, 게르마늄, 인 및 황)을 사용하는 것을 추진하고 있다. 2024년까지 요코하마 공장에 전고체 배터리용 파일럿 플랜트를 설치할 계획이다.

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지금은 전고체 전지 외에도 리튬-황 전지, 리튬 메탈 전지, 금속 공기전지 등 아예 리튬이온전지와는 소재나 방식이 다른 차세대 배터리 기술들도 개발되고 있다. 그 중 리튬 메탈에 대해서는 2021년 미국 SES가 2025년 상용화를 선언했다. 리튬 메탈 배터리는 리튬 이온과 전고체 전지의 중간이라고 할 수 있다.

현시점에서 확인할 수 있는 것은 소위 말하는 차세대 배터리 기술에 대해서는 타임라인을 계산할 수 없는 수준이다. 어느 업체가 앞서 있다고 단언할 수도 없다.

그 때문에 CATL과 BYD를 비롯한 중국 업체들이 선점한 저가의 리튬인산철 배터리가 시선을 끌고 있다. 테슬라의 일론 머스크가 전고체가 아니라 리튬인산철이라고 발언하면서 많은 업체가 뛰어들고 있다. CATL은 2021년 7월 나트륨 이온 배터리를 공개하기도 했다. 최초의 나트륨 이온 배터리는 현재 세계 최고 수준인 160Wh/kg의 에너지 밀도를 갖추고 있다고 한다. 실온에서 15분 만에 80%까지 충전할 수 있으며 -20°C 미만의 온도 환경에서 방전 유지율이 90% 이상이다.

국내 완성차업체로서는 현대차그룹과 서울대학교와 배터리 공동 연구센터를 설립해 BMS를 비롯해 전고체 전지, 리튬 메탈 배터리, 배터리 공정 기술, 배터리 충전 기술 등을 연구하고 있다. 서울대학교 화학생물공학부 최장욱 교수가 센터장으로 학계의 저명한 교수들과 100여명의 석박사급 인재들이 대거 참여한다.

최장욱교수는 데일리카와의 인터뷰를 통해 지금 전고체 전지가 언제쯤 실용화된다고 말하는 것은 현실을 모르는 것이라고 말한다. 아직은 넘어야 할 산이 많다는 것이다. 그보다는 당장에 주행거리 등에 대한 인식의 전환을 바탕으로 인프라의 확충과 배터리 매니지먼트 시스템의 진화, 그리고 중국에 절대적으로 의존하고 있는 원자재 문제들을 해결하는 것이 더 시급하다고 말했다.

전고체 전지가 아직은 확실한 미래로 인정받는 수준은 아니라는 점은 분명해 보인다. 노벨상을 받을 정도의 획기적인 기술 개발이 요구되는 시점이다.

 

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