전고체 배터리 생산업체-블루솔루션(Bluesolutions)

요약: 전고체 배터리의 양산 시기에 대해서는 대부분 5~7년 후 양산이 시작되고 본격적으로 제품에 사용되는 시기는 2030년이라고 보고 있지만 이미 전고체 전지를 양산하고 있는 회사가 있다.

많이 알려져 있지 않지만 프랑스의 블루 솔루션은 10년전인 2012년부터 고분자 고체전해질을 사용한 전고체 전지를 양산해왔다. 현재는 60~80도에서 작동해야하는 한계 때문에 버스나 카쉐어링 프로그램용이나 ESS용으로 사용이 한정되어 있지만 블루솔루션의 계획대로 상온에서 작동가능한 제품이 개발되어 일반 승용차에 탑재되게 되면 향후 배터리 시장에서 블루솔루션은 높은 경쟁력을 가지게 될 것이다.

 

전고체 배터리의 양산 시기에 대해서는 다양한 예측이 나오고 있지만 대부분 5~7년 후 양산이 시작되고 본격적으로 제품에 사용되는 시기는 2030년이라고 보고 있다.

그러나 많이 알려져 있지 않지만 전고체 배터리를 양산하여 실제 제품에 활발하게 사용하고 있는 회사가 있다.

프랑스의 대기업인 볼로레(Bolloré)의 자회사인 블루솔루션 (Bluesolution)은 PEO기반의 고체 전해질을 사용하는 LMP (Lithium Metal Polymer) 배터리를 양산하여 버스(Bluebus, eCitaro)나 카쉐어링용 차량(Bluecar)에 공급하고 있다.

 

블루솔루션의 역사

블루솔루션의 LMP배터리는 1980년대 리튬금속을 배터리 재료에 사용할 수 있다고 언급한 프랑스 과학자 미셀 아르망 (Michel Armand)의 특허에 기반을 두고 있다. 볼로레는 1990년대 말부터 배터리 연구를 시작했고 2001년에는 블루솔루션을 설립하며 프랑스 브르타뉴 (Brittany) 지방에 첫 번째 파일럿 라인을 건설했다. 2007년에는 LMP배터리를 개발하던 캐나다 Hydro Quebec의 자회사인 Avestor와 합병하였고 두회사의 특허와 기술을 바탕으로 2012년에 프랑스 브르타뉴에 300 MWh 규모의 첫 번째 생산라인을 구축하였다. 

 

블루솔루션 공장 (프량스 브루타뉴)

 

블루솔루션은 현재 2개의 LMP 생산 라인 (각각 500 MWh/년)을 보유하고 있다. 하나는 프랑스 브르타뉴에, 다른 하나는 캐나다의 몬트리올에 있다. 블루솔루션은 두 공장 모두 24시간 연중무휴로 운영중임에도 주문이 가득 차 있어 프랑스 브르타뉴에 500 MWh 규모의 세 번째 공장을 짓고 있다. 

 

블루솔루션의 LMP배터리 생산라인

LMP배터리(좌), 모듈 조립위해 LMP를 적층해 놓은 모습 (우)

LMP모듈 (좌), LMP팩 (우)

LMP 배터리팩 구조

LMP (Lithium Metal Polymer) 배터리

블루솔루션의 LMP배터리는 아래 그림과 같이 PEO기반의 고분자 전해질을 사용한다. 양극으로는 리튬인산철 (LFP)을 사용하며 음극은 리튬 메탈을 사용하고 있다. 

 

블루솔루션의 LMP배터리 구조

높은 작동온도 (60~80℃)

LMP배터리는 PEO고체 전해질의  상온에서의  낮은 이온전도도 (10^-7~10^-5S/cm)로 인해 작동 온도가 60~80℃이다. 

따라서 배터리가 작동온도에 도달하도록 배터리 팩 외부에 가열장치를 부착하여야 하고 작동 온도에 도달할 때까지 운행을 할 수 없는 문제가 있다. 이러한 문제로 LMP배터리는 일반 소비자가 타는 승용차에는 적용하기 어렵고 예열시간에 영향을 덜 받는 버스나 배달트럭, 대형트럭에 적용하는 것을 목표로 하고 있다. 승용차에 적용하는 경우에는 차량 공유 프로그램용으로 사용하고 있다. 

 

PEO고체전해질의 온도에 따른 이온전도도

블루 솔로션은 고온에서 작동하기 때문에 배터리팩의 냉각장치를 설치할 필요가 없는 것이 LMP의 장점이라고 설명한다.

액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리팩은 저온에서는 가열이 필요하고 고온에서 냉각이 필요하지만  LMP배터리는 온도가 높을수록 이온전도도가 높아지기때문에 배터리에 대한 냉각장치가 필요 없다. (BMS내의 전자회로는 에어쿨링을 한다.) 

냉각장치를 없앨수 있다는 것은 배터리 팩 내의 냉각장치가 차지하는 공간을 배터리로 채울 수 있다는 것이므로 이 부분은 배터리팩의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 좋은 장점이라고 할 수 있다.

또한 블루솔루션은 자사의 LMP배터리가 온도의 영향을 덜 받는다고 주장한다. 일반 리튬이온 배터리는 저온에서도 작동을 해야 하지만 LMP는 항상 고온에서만 작동하고 있기 때문에 온도에 영향을 덜 받는다고 한다. 

고속 충전 지원되지 않음.

리튬이온 배터리와 달리 고속 충전을 지원하지 않는데 이는 고체 전해질이지만 낮은 강도를 가진 PEO가 리튬 메탈의 덴드라이트를 억제하기 어렵기 때문인 것으로 보인다. 현재까지 출시된 배터리 팩은 C/5의 전류로 충전을 하고 있는데 LMP배터리의 주 사용차량이 버스나 배달트럭 상용트럭, 공유 프로그램 승용차량이기 때문에 예열 문제와 더불어 이 문제 역시 큰 문제가 되지 않는 것으로 보고 있다.

향후 개발전략

아래 로드맵에서 보는 것처럼 블루솔루션은 "에너지 증가", "충전 속도 증가", "낮은 작동 온도"의 3가지 문제를 해결하는데 집중하고 있다.

블루솔루션의 개발 로드맵

2025년까지 현재 3세대 모듈의 에너지 밀도를 295Wh/kg으로 높이고 충전 전류는 C/5에서 C/4로 높이는 것을 목표로 하고 있다. 배터리의 작동온도는 3세대에서는 변동이 없다. 

2026년에서 2030년 완성을 목표로 하고 있는 4세대 모듈은 에너지 밀도를 20~40%증가시키고 충전 속도를 높이며 작동 온도를 상온으로 낮추는 것을 계획하고 있다. 

 

LMP배터리 적용 제품

원할 때마다 차를 사용해야하는 대중 자동차 시장에는 사용 전 배터리 작동 온도를 맞추느라 시간이 걸리는 LMP배터리는 받아들여지기 어려운 제품이다.

블루솔루션은 이러한 특성에 영향을 받지 않는 버스나 트램, 항구나 공항, 광산에서 운영하는 특수차량 등에 LMP배터리를 적용하는 것을 추진하고 있다.

 

블루카 (Bluecar), 블루버스 (Bluebus)

블루솔루션은 LMP배터리를 개발했지만 전고체 전지가 시장에 적용된 사례가 없고 외부 고객에게 자신들의 기술의 신뢰성을 입증하기 어려운 문제를 안고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 블루솔루션은 모그룹인 볼로레 그룹을 통해 이 문제를 해결하고자 했다. 볼로레는 2007년 블루 버스 (Bluebus)를 설립하여 블루솔루션의 LMP배터리를 적용하였고 카셰어링 서비스인 Autolib에 사용될 블루카에도 블루솔루션의 LMP배터리를 사용하였다. 소형 4인승 3도어 전기 자동차인 블루카는 2011년에 Autolib을 통해 공유자동차로서 사용되어 2018년 이 프로그램이 종료될 때까지 사용되었고 성공적인 운영으로 영국, 미국, 이탈리아, 싱가포르에서도 운영이 되었다.

볼로레 그룹의 블루카 (좌), 블루버스 (우)

메르세데스 벤츠 eCitaro

이후 블루솔루션은 2017년부터 독일의 메르세데스 벤츠의 전기버스 eCitaro에 들어갈 LMP배터리 팩을 개발하였고 이듬해인 2018년에 다임러는 리튬이온 배터리를 사용하는 버전과 LMP를 사용하는 두 가지 버전의 eCitaro를 출시하였다. 

메르세데스 벤츠는 eCitaro가 NCM버전과 LMP버전을 교체사용할수 있도록 두 배터리 팩의 사이즈를 동일하게 할 것을 요청하였다. 이때 LMP배터리는 냉각장치를 없앨 수 있는 장점을 내세워 NCM배터리팩의 냉각장치가 차지하는 공간에 배터리 모듈을 하나 더 배치하여 에너지를 441 kWh로 증가시켰다. 

 

메르세데스 벤츠의 전기버스 eCitaro

배터리 타입	LIB (Lithium Ion Battery)	LMP (Lithium Metal Polymer)
배터리 팩 용량	396kWh (12module)	441kWh (7module)
운행거리	170km	190km
배터리 타입	리튬이온 배터리 (양극으로 NCM,음극은 흑연, 전해질로는 액체전해질 사용)	리튬메탈전고체전지 (양극으로는 LFP, 음극은 리튬메탈, 전해질은 PEO고체전해질,)
쿨링시스템	Liquid cooling	배터리는 cooling하지 않음. (전자 장비는 air cooling함)
고속충전	고속 충전 지원	고속 충전 지원하지 않음 (C/5 12.6kW)

2020년에 출시된 eCitaro의 굴절식 버전인 eCitrao G에도 블루솔루션의 LMP배터리가 사용되고 있다.

 

eCitaro G

이외에도 LMP배터리는 호주의 전기버스에도 공급하기 시작했으며 항만용 특수 자동차 제조 회사인 프랑스의 Gaussin과 호주와 뉴질랜드, 카타르, 코트디부아르 등의 항구에서 사용할 특수차량용으로도 공급을 준비 중이다. 

 

ESS ( Energy Storage System)

블루솔루션은 Blue LMP 250 (252 kWh)과 Blue LMP 400 (392 kWh) 두 가지 ESS 제품을 가지고 있다.

 

블루솔루션은 프랑스의 고압 송전 시스템 운영회사인 RTE와 프랑스 남부에서 30MWh ESS단지를 건설하는 Ringo프로젝에 참여하여 배터리를 고정적으로 적용하는 계약을 체결했다.

 

블루솔루션의 ESS

RTE의 Rigo 프로젝트로 건설된 ESS단지

향후 전망

블루솔루션은 10년 동안 전고체 배터리를 양산해왔음에도 일반 승용차에 사용하기 어려운 제품 특성과 대외 홍보보다는 기술개발에 집중한다는 회사 방침으로 인해 인지도가 낮은 편이었다. 그러나 고온에서 작동되는 장점들을 잘 살려 성공적으로 애플리케이션 개발에 성공하였고 현재는 적용 제품군을 늘려가는 중이다.

대부분 배터리 회사들이 산화물계나 황화물계 전고체 배터리에 집중하고 있는 사이 블루솔루션은 폴리머 전고체 전해질로 10년의 기간 동안 꾸준히 양산을 해왔다. 무엇보다 전고체 배터리에서도 쉽게 사용 여부가 불투명한 리튬 메탈을 음극으로 양산을 해온 연구능력과 경험은 상당한 수준이라고 할 수 있다. 현재는 버스나 특수 목적 차량 등에 애플리케이션이 한정되어 있지만 그들의 계획대로 2026년 이후 고속 충전이 가능하고 상온에서 작동되는 전고체 배터리를 개발하게 된다면 일반 자동차에도 탑재하게 될 것이다.

5~7년 후 다른 배터리 회사들이 전고체 배터리 양산을 시작하는 시점에 블루솔루션이 일반 승용차에도 사용 가능한 전고체 배터리로 EV 시장에 참여한다면  향후 배터리 시장에서 블루솔루션은 높은 경쟁력을 가지게 될 것이다.