현재 대부분의 자동차 제조사가 배터리를 외부에서 공급받아 전기차를 생산하고 있다. 당사도 외부에서 배터리를 공급받고 있지만 단순한 구매자는 아니다. 그 이유는 당사는 미래 모빌리티 시대를 바라보며 배터리 제조사 및 협력사들과 배터리를 함께 개발하고 있기 때문이다. 본편을 시작으로 총 3편의 시리즈를 통해 당사가 왜 배터리 개발을 하는지, 그리고 구체적으로 어떤 개발과 노력을 하고 있는지 소개해 본다​.

지금 판매되는 전기차 대부분은 전문 배터리 회사의 배터리를 장착한다. 자동차 제조사가 배터리를 납품 받아 전기차에 적용하는 것이다. 하지만 여기서도 자동차 제조사별로 차이를 엿볼 수 있다. 당사의 경우, 단순히 전기차의 빠른 보급에 그치지 않고 완성도와 경쟁력이 뛰어난 제품을 위해 다양한 배터리 제조사와 긴밀하게 협력하며 배터리 개발을 함께하고 있다. 자동차 제조사이지만 배터리 분야에서도 상당한 노하우를 갖고 있는 이유이다.

특히, 당사가 배터리를 자체적으로 개발하는 이유에는 배터리 기술 내재화를 통해 배터리 업계에 전적으로 부품을 의존하지 않기 위한 차원도 있다. 당사는 상황에 따라 배터리 설계 영역에도 진입할 수 있는 뛰어난 역량을 갖추고 있다고 평가받고 있다. 이는 매우 중요하다. 만일 전기차 시대의 산업 구조, 공급 구조가 급격하게 바뀐다면 배터리 설계를 당사가 하고, 배터리 회사는 빠른 생산에 집중하는 형태로도 변화할 수 있기 때문이다.

당사는 본격적인 전기차 시대를 이끌어가기 위해 다양한 배터리 제조사와 협업하고 있다. 협업의 방식도 매우 다양한데, 일례로 차량 개발 시에는 단계별 배터리의 개발 목표와 요건을 정의하고 검증하며 개선하는 일을 반복한다. 배터리 셀부터 시스템에 이르기까지 전기차에 관한 모든 부분에서 협업이 진행되어야 안전한 차를 만들 수 있기 때문이다.

이 과정에서 배터리 기술 고도화에 주로 초점을 맞추고 있는 배터리 제조사와 달리 차량을 통해 직접 소비자와 만나는 자동차 제조사는 ‘고객 가치 실현을 위한 배터리 기술’에 대해 많이 고민하고 있다. 배터리 성능뿐만 아니라 가장 안전해야 하고, 유지보수가 불편하지 않아야 하며, 동시에 가장 합리적인 가격으로 차량에 탑재할 수 있는 배터리 기술을 한발 앞서 개발해야 하는 것이다.

이렇듯 배터리 개발과 생산, 판매를 주력으로 삼는 배터리 제조사의 사업 방식과 비교해 모빌리티 솔루션으로 고객에게 가치를 제공하는 당사의 비즈니스 모델은 지향점이 다를 수밖에 없다.

이러한 이유로 당사는 고객이 필요로 하는 성능과 현재 배터리 기술 수준을 모두 고려해 자동차와 배터리 부문의 기술​ 계획(로드맵)을 수립하고 있다. 전기차를 개발할 때 우선 주행거리, 전비, 동력성능, 충전시간 등 다양한 목표 성능을 설정한다. 이후 디자인, 중량, 공기저항계수 등을 결정하고 이에 맞는 전기모터, 인버터, 배터

리 시스템의 요구 성능을 계산한다. 이렇게 다양한 조건에 맞춰 설계를 최적화하는 과정 속에서 배터리 제조사와 협업을 진행하는 것이다.

또한, 내연기관 자동차에서 엔진과 변속기가 궁합을 맞추듯 전기차에서도 전기모터, 인버터, 배터리 시스템 등과 같은​ 구동계 부품의 면밀한 조율이 필요하다. 이는 각 요소가 밀접한 영향을 주고받기 때문이다. 가령 인버터는 배터리의 직류 전기를 교류로 바꿔 전기모터 작동을 돕고, 전기모터의 출력은 배터리의 전압과 전류에 영향을 받는다.

이처럼 자동차 제조사는 다양한 요소 간의 영향을 모두 고려해 전기차를 만들고 있다. 같은 배터리를 사용하는 전기차라고 해도 자동차 제조사의 실력에 따라 완성도에 커다란 차이를 보일 수밖에 없는 배경이다.

이러한 높은 완성도를 유지하고자 자동차 제조사는 배터리를 사용해 전기차를 생산하는 통합 유저(user)로서 배터리를 포함한 모든 부문에서 지속적인 연구개발을 통해 기술 리더십을 확보해야 한다.

당사는 본격적인 기술 리더십 확보를 목표로 2022년 1월 ‘배터리개발센터’를 출범했다. 기존의 설계/시험/선행개발 등 배터리 개발 관련 모든 조직을 통합한 배터리개발센터는 전기차, 하이브리드, 플러그인 하이브리드 등에 탑재되는 모든 배터리의 셀 단위 및 시스템 설계부터 BMS(HW/SW), 배터리 안정성 향상 등의 연구를 종합적으로 담당하게 된다.

또한, 당사의 ‘Smart Mobility Solution Provider’ 목표를 달성하기 위한 배터리개발센터의 목표는 『가장 멀리, 가장 빨리, 가장 안전한 스마트 배터리 솔루션 프로바이더(Smart Battery Solution Provider)』이다. 이를 달성하기 위해 다양한 채용전환형 프로그램을 운영하는 등 잠재력을 지닌 인재를 확보하고자 꾸준히 노력을 기울이고 있다.​

핵심기술 개발 역량을 갖춘 R&D 전문가 육성 외에도 배터리 분야의 초격차 기술 개발과 최고 수준의 에너지 효율을 달성하기 위해 외부 협업을 확대하고 있다. 예컨대 2021년에는 서울대학교와 함께 배터리 공동연구센터를 설립하여 BMS의 고도화와 차세대 배터리 개발 및 생산 기술에 대한 공동 연구 과제를 수행하고 있다.

뿐만 아니라 SK온, LG에너지솔루션과 같은 주요 배터리 제조사와의 합작법인 설립과 함께 스타트업과의 협업으로 공정기술 확보를 비롯한 공동 연구를 진행 중이며, 미래 기술 개발을 위한 장기적 투자와 더불어 최고 성능 달성을 목표로 전동화 기술의 연구 생태계를 조성하고 있다.

또한, 안정적인 소재 수급도 배터리 개발과 제작에 있어 매우 중요한 부분이다. 아세안 지역 수출이 용이한 인도네시아에 LG에너지솔루션과 함께 배터리셀 합작공장을 건설하고, 아울러 양극재의 주요 소재인 리튬의 공급 계약을 추진 중이며, 리튬이나 니켈 같은 성분은 전동화 차량 제작에 필수적인 원자재인 만큼 국내외 기관과 지속적으로 협의하여 일정 수준의 물량을 확보해 나갈 전망이다. 여기에 폐배터리 회수와 자재 재활용 등으로 지속가능한 ‘배터리 라이프 사이클’ 체계도 구축할 계획을 세우고 있다.

그렇다면 현재 전기차의 배터리는 어떤 방향으로 발전하고 있을까? 당사는 국내외 전문업체와 협력을 통해 리튬이온 배터리의 고도화를 진행 중이다. 안정성 개선은 물론 주행거리 확대를 위한 에너지밀도 증가, 충전시간 단축을 위한 출력 확대, 더 많은 보급을 위한 생산비용 절감 등 다양한 발전의 여지가 남아 있다.

그러나 리튬이온 배터리 용량을 키우는 것만으로는 미래 전기차 시대의 혁신을 이끌 수 없다. 따라서 차세대 배터리 관련 핵심기술 개발에도 박차를 가하고 있으며, 개발 방향은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 배터리 셀에 담는 에너지 밀도를 늘리는 것으로, 음극재를 흑연에서 리튬메탈로 대체한 리튬금속 배터리 기술 개발이 이에 해당한다. 이 배터리는 이론상 리튬이온 배터리보다 10배의 에너지를 저장할 수 있다​.

두번째는 가격을 낮추는 것으로, 대표적인 사례가 코발트 없는 배터리이다. 코발트는 내구성 확보에 필요한 원소이지만, 고가의 광물이기에 배터리 가격 상승에 영향을 미친다. 배터리에 사용하는 코발트의 양을 줄여 생산에 드는 비용을 줄이는 것이다. LFP(리튬인산철) 배터리가 대표적인 코발트를 사용하지 않은 배터리인데, 코발트 사용량을 줄이는 것이 전기차의 대량 생산 시대를 여는 데에 필수적인 요소인 만큼, 당사는 2025년경 공동 연구를 통해 개발한 LFP 배터리를 상용화해 전기차의 가격 경쟁력을 확보할 전망이다.

세번째는 에너지밀도의 증가에 따른 안전성 취약에 대비하는 고안전성 배터리 개발이다. 전고체 배터리 개발, 열폭주 방지 기술 연구 등이 이에 해당한다. 특히, 전고체 배터리는 지금까지의 배터리 기술 역사를 크게 바꿀 신기술로 기대를 받고 있다.

지금까지의 모든 배터리는 액체 전해질을 사용한다. 하지만 고체 전해질을 사용하는 전고체배터리는 지금까지의 배터리 작동 방식, 설계, 평가분석, 제조공정 등 모든 부분의 변화를 요구한다. 그만큼 개발과정의 난관도 많다. 그러나 전고체 배터리는 포기할 수 없는 기술 중 하나이다. 고체로만 구성된 덕분에 안전성이 뛰어나며, 기존 배터리보다 에너지 밀도가 높아 더 작은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 그만큼 전기차의 1회 충전 주행거리를 늘릴 수 있는 것이다.

당사는 전고체 배터리를 비롯한 차세대 배터리 개발의 가속화와 양산성 검증을 위해 2024년에 차세대 배터리 연구동을 세울 계획이며, 이렇게 배터리 자체 설계를 통해 얻은 기술과 노하우를 바탕으로 2025년에는 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 시범 양산하고, 2030년 전후로는 본격 양산을 목표로 하고 있다. 이와 같은 차세대 배터리의 개발은 전기차는 물론 로보틱스와 AAM으로 대표되는 미래 모빌리티의 실현을 앞당기는 중요한 역할을 하게 될 것이다.

당사는 이처럼 소비자에게 보다 완벽한 전기차를 제공하기 위해 다양한 배터리 연구를 진행하고 있다. 단순히 배터리 제조사나 협력사로부터 배터리 완제품을 공급만 받는다면 좋은 전기차를 만들 수 없다. 전기차의 혁신을 이끌기 위해 배터리 제작부터 개발에 이르는 모든 영역에서 협업과 기술 연구를 계속하고 있다. 최고의 배터리 기술을 완성하기 위한 당사의 연구와 노력에 많은 관심을 갖고 응원해 주시기 바란다.​

글 / 김성기, 윤시현 (현대자동차​​)

출처 / 오토저널 2024년 3월호