일본 자동차 메이커들의 전고체 배터리 개발 동향

전고체 배터리 양산 시점 2028년으로 전망

일본의 자동차 메이커들은 전고체 배터리의 양산 시기를 2028년 전후로 전망하기 시작했다.

2028년에는 소량으로 생산될 것이고 본격적으로 물량이 늘어나는 시기는 2030년 이후로 전망한다.

이러한 전망은 지금까지 전망하던 양산 시기보다는 늦지만 일단 전고체 배터리가 개발되면 게임 체인저가 될 가능성은 충분하다고 전망하고 있다.

 

도요타가 2021년 9월에 공개한 전고체 배터리를 탑재한 콘셉카

전고체 배터리가 전기자동차용으로 주목을 끈 계기는 도쿄 공업대학  칸노(菅野) 교수가 2011년에 이온 전도도가 높은 황화물계 고체 전해질을 발견하면서부터이다. 칸노 교수는 2030년 이후 본격 양산이라고 하는 최근의 전망에 대해서는 "지금까지의 기대치가 너무 높았던 것일 뿐 2030년은 당초 예상하고 있던 본격 양산시점"이라고 말했다.

 

도요타 자동차가 2012년에 공개했던 황화물계 고체 전해질 재료

 

칸노 교수는 "액체 전해액을 사용하는 기존 리튬이온 배터리도 많은 연구자들이 조금씩 개선한 결과 현재와 같이 널리 사용되게 되었다. 전고체 배터리 역시 전기자동차용으로 양산되기 위해 큰 문제가 남아 있는 것이 아니고 작은 과제를 하나하나 꾸준히 해결해 나가고 있는 단계이기 때문에 그렇게 멀지 않은 장래에 실용화할 수 있다"라고 말했다.

칸노 교수는 황화물계 전고체 배터리의 해결 과제는 충방전시 음극의 수축팽창에 의해 전극과 고체 전해질의 간극에 의한 계면 저항 증가와 황화물과 수분이 반응하여 유독한 황화수소 가스가 발생하는 문제인데 전극과 전해질의 계면 밀착성을 향상시키기 위해 재료 측면에서의 개량과 전극과 전해질에 큰 압력을 가해 전극과 고체 전해질을 일체화시키는 공정적인 해결방법을 고려중이라고 했다. 황화물과 수분의 반응을 막는 내수성 향상 연구는 주석(Sn)이나 실리콘(Si)을 첨가하는 연구가 꾸준히 진행되고 있다고 했다.

 

닛산자동차, 황화물 고체 전해질, 리튬 황을 검토?

닛산 자동차는 2030년 '게임 체인지'를 이루겠다는 목표로 전고체 배터리 개발에 몰두하고 있다. 자사가 개발한 전고체 배터리를 탑재한 전기자동차를 2028년도까지 양산하겠다고 2021년 11월에 발표했다.

닛산자동차의 사장 겸 최고 경영 책임자 우치다 마코토 씨는 전고체 배터리의 양산에 의해 배터리 비용을 1 kWh당 75달러로 낮추는 것을 목표로 하고 있고  장기적으로는  65달러까지 인하함으로써 전기자동차와 가솔린차의 비용을 동등 수준으로 하겠다고 언급했다.

 

닛산 자동차의 전고체 배터리를 채용한 EV 플랫폼

닛산은 전고체 배터리의 세부내용을 밝히지는 않았지만, 최근 닛산이 출원한 특허를 보면 고체 전해질은 황화물계를 사용할 것으로 보인다. 양극 재료는 회사 관계자가 현재 주류인 3원계 양극 재료는 사용하지 않는다고 언급을 했고 특허에도 양극 재료로 3원계가 아닌 황(S)계로 출원한 것을 볼 때 리튬-황 (Li-Sufur)의 채용을 검토하고 있는 것으로 보인다.

닛산은 2024년도까지 요코하마 공장 내에 전고체 배터리의 프로토타입 라인을 도입할 계획인데 현시점에서 재료 조성이 확정되지는 않았고 몇 개의 후보군을 검토한 후 양산을 진행할 것으로 보인다.

 

도요타, 황화물과 더불어 폴리머계 고체 전해질도 고려중?

도요타는 기존에 칸노 교수 등과 함께 황화물계 고체 전해질을 이용한 전고체 배터리의 개발에 힘을 쏟고 있었지만 수명 문제 해결을 위해서 최근에는 폴리머계의 고체 전해질에도 주목하고 있는 것으로 보인다.

차량 적용 시점은 기존에는 2026~27년경으로 내다봤지만 2021년 9월에 전고체 전지를 탑재한 콘셉트카를 공개하면서 도요타의 최고 기술 책임자인 마에다 마사히코는 "2025년에 새로운 하이브리드 자동차에 전고체 배터리를 처음으로 사용할 계획이라고 밝혔다". 이후 도요타의 수석 과학자인 길 프랫(Gill Pratt)은 “하이브리드는 전지가 더 자주 충전되고 집중적으로 사용되기 때문에 하이브리드 차량을 선적용하여 전고체 기술에 대한 더 엄격한 검증을 할 수 있다"라고 덧붙였다.

이를 볼때 전고체 전지를 하이브리드 차량에 먼저 적용하여  전고체 배터리 셀에 대한 더 많은 경험을 얻고 비용이 낮아지면 전기 자동차로 사용을 확대할 방침으로 보인다.

 

혼다, 황화물계와 Hybrid복합 전해질도 고려.

최근에는 혼다도 전고체 배터리 개발에 몰두하고 있으며 2030년쯤 양산을 목표로 하고 있다. 고체 전해질로서는 황화물계뿐만 아니라 폴리머와 산화물계를 혼합한 Hybrid형의 복합 고체 전해질도 같이 검토하고 있다.

 

2030년이면 너무 늦을지도...

유럽과 미국 자동차 메이커들은 유력한 스타트업 등에 출자해 전고체 배터리 개발을 맡기는 것이 보통이지만 대표적인 일본 자동차 메이커인 닛산, 도요타, 혼다는 이례적으로 직접 개발에 힘쓰고 있다. 

일본 자동차 메이커 관계자는 “전고체 배터리 개발 경쟁에서 지게 되면 일본 자동차 산업은 없어진다고 생각한다. 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 배터리 시장에서 한국과 중국 업체에게 패했지만 전고체 배터리에서는 절대로 질 수 없다"라고 비장하게 말했다.

전기자동차의 보급이 본격화되는 시점이 언제냐에 대한 전망은 다양하지만 최근에는 그 시점을 2025년으로 보는 전망이 많아지고 있다. 따라서 2030년 이후에 전고체 배터리를 탑재한 전기자동차로 승부를 볼 수 있다는 일본 자동차 업체들의 전망은 한편으로는 그다지 낙관적이지 않다고 볼 수 있다.

 

(출처: Nikkei Xtech, 2022년 3월 28일)