Nissan 자동차의 배터리 개발 전략

요약: 전기차 초기 선도적인 위치에 있던 닛산은 일본자국시장의 전기차에 대한 무관심과 예상했던 것보다 늦게 개화된 전기차 시장의 여파로 다른 일본 회사들과 함께 전기차 분야에서 뒤쳐지게 되었다. 이를 극적으로 만회할 방법은 전고체 전지를 개발하는 것이라고 생각하여 2018년부터 꾸준히 전고체 전지에 대한 연구를 진행해왔고 2028년에는 전고체 전지를 양산하겠다고 발표하였다. 닛산이 발표한 내용들을 좀더 자세히 검토해보고 우리가 배울 점이 무엇인지 생각해 보고자 한다.

 

세계 최초의 양산형 전기차는 2009년에 일본 미쯔비시가 출시한 i-MiEV였지만 순수 전기차로서의 기준을 만들고 전기차의 가능성의 토대를 다진 건 2010년 닛산에서 출시한 Leaf라고 할 수 있다.

혼다 i-MiEV ( 좌), 닛산 Leaf (우)

그러나 닛산은 전기차 분야의 이런 선구적인 행보에도 불구하고 이후 전기차 경쟁에서 한발 물러난 것과 같은 모습을 보여왔다. 대부분의 전통차 회사들이 전동화를 선언하는 상황에서 소극적인 모습을 보이는 이유는 여러 가지가 있겠지만 주로 아래와 같은 이유들이 있다고 얘기가 되고 있다.

먼저는 일본자동차회사들이 “하이브리드의 덫, 성공의 저주”에 빠졌다는 지적이다. 도요타가 1997년에 출시한 하이브리드 자동차 프리우스는 10년 동안 1000만 대가 판매되며 성공을 거두었다. 여기에 더해 일본소비자들이 여전히 전기차보다 하이브리드 차를 더 선호하는 경향도 크게 영향을 미치고 있다. 2022년 딜로이트 그룹에서 발표한 자료를 보면 일본소비자의 하이브리드차 선호도가 전기차보다 2.6배 높다고 조사되었고 하이브리드차의 선호도가 다른 국가보다 48% 높다고 조사되었다.

또 다른 의견은 일본정부가 의도적으로 전기차 전환속도를 늦추고 있다는 것이다. 기존 내연기관차에서 전기차로 전환하게 되면 부품수가 2만 개에서 7천 개로 줄어들게 되기 때문에 일본정부는 부품 업체들이 전기차에 적응할 시간을 충분히 주기 위해 속도를 늦추고 있다고 한다.

그러나 2021년 11월에 닛산은 “Nissan 2030 Ambition”을 발표하면서 2026년까지 향후 5년간 전기차와 관련 기술 개발에 2조 엔을 집중투자하겠다고 발표했다. 그리고 2030년까지 전기차와 하이브리드카등 친환경차 비중을 50%로 늘리겠다고 발표했다. 여전히 50%는 내연기관을 유지하겠다는 계획이어서 2040년까지 전차종을 전동화하겠다고 발표한 혼다나 2035년경까지 전동화로 완전 전환하겠다고 밝힌 다른 나라의 전통차 회사보다는 소극적인 모습이기는 하지만 이전보다는 전동화를 향해 진일보한 계획이라고 할 수 있다.

 

2030년 배터리 개발 목표: 에너지밀도 증가, 충전시간 단축, 비용절감

닛산은 2021년 “Nissan 2030 Ambition”을 발표하면서 전기차에 적용할 배터리에 대한 전략을 아래와 같이 발표하였다.

닛산의 2030년 배터리 개발 목표

닛산은 현재 고객들이 전기차에 가장 불편함을 느끼는 “주행거리”, “충전시간”, “가격”에 3가지 항목에 초점을 맞추어 배터리를 개발하여 경쟁력을 높이겠다는 생각이다.

주행거리 향상을 위해 에너지 밀도를 2배 높이고 충전시간을 1/3로 줄이며 배터리가격을 2028년까지 $75/kWh로 낮출 계획이다.

이를 실행할 구체적인 방법도 발표하였는데 아래 그림을 보면 에너지 밀도를 높이는 방법으로 음극 활물질을 기존의 흑연에서 용량이 높은 실리콘계를 사용하고 최종적으로는 리튬 메탈을 사용하겠다는 계획이다.

충전시간을 단축시키는 방법으로는 전해질을 기존의 액체전해액에서 황화물 전고체전해질을 적용하겠다고 한다.

비용절감을 위해서는 기존 NCM 양극 활물질에서 코발트의 비율을 낮춰 궁극적으로는 코발트가 없는 양극 활물질을 적용하고 궁극적으로는 황이나 망간등의 저렴한 소재를 적용하겠다는 계획이다.

닛산의 배터리 개발 목표 달성 방안

위의 내용들을 좀 더 구체적으로 살펴보도록 하겠다.

1. 비용절감: $75/kWh(2028년), $65/kWh(2030년)

전기차가 내연기관과 가격으로 경쟁할 수 있으려면 배터리 팩 가격이 $100/kWh로 낮아져야 한다. 배터리 팩 가격은 2020년까지는 점차로 낮아지는 추세였고 이런 추세면 2024년에 $100/kWh에 도달할 것으로 예상했다. 그러나 전기차 시장이 폭발적으로 성장할 것이라는 기대감이 커지면서 2021년부터 주요 광물들의 가격이 크게 오르면서 리튬 가격은 2021년 대비 10배 올랐고 니켈 가격도 75% 상승했다. 코발트 가격은 2020년과 비교해 두 배 넘게 상승했다. 그 결과 2022년에는 오히려 배터리 팩 가격이 $151/kWh로 전년대비 7%가 상승하는 결과를 가져왔다.  

블룸버그엔이에프 (BNEF)는 이런 상승추세가 2024년에 가서야 안정이 되어 배터리 팩가격이 하락하기 시작하고 2026년에는 $100/kWh에 도달할 것으로 예상하고 있다.

배터리 셀 및 팩 연도별 가격 변동 추이 (2013~2022년)

닛산은 배터리 팩가격 절감을 아래 그림과 같이 2단계로 생각하고 있다.

닛산은 현재의 리튬이온 전지 시스템이 향후 2세대 이상 계속 주류를 이어갈 것으로 보고 있기 때문에 1단계인 $75/kWh는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 전지로 달성하려고 한다. 2단계인 $65/kWh는 전고체 전지를 적용하여 달성하려고 하고 있다.

닛산 2030 Ambition에서 발표한 배터리 팩 비용절감 계획

1) $75/kWh 절감 방안: Co-free 양극 활물질 적용

닛산은 액체 전해질을 사용하는 기존의 리튬이온 전지의 경우에는 다른 배터리 제조회사들처럼 NCM을 사용할 방침이다. 닛산이 2023년에 출시한 SUV인년형 ARIYA는 코발트를 10% 사용하는 것으로 알려졌다. 비용절감을 위해 양극 활물질 내에서 가격이 비싼 코발트의 양을 점점줄이고 궁극적으로는 코발트를 제거하여 전기차의 가격을 내연기관과 경쟁할 수 있는 수준까지 낮추겠다는 목표를 가지고 있다.

2023년형 전기 SUV ARIYA

이런 추세는 전 세계 배터리 제조회사들의 경향과 일치하고 있는데 아래 표에서 보는 것처럼 한국 배터리 제조회사인 삼성 SDI와 SK On은 각각 NCA와 NCM을 양극 활물질로 사용하고 있는데 전체적으로 코발트의 양을 줄이는 방향으로 개발을 진행 중이다.

삼성SDI와 SK On의 양극 활물질 적용계획

2) $65/kWh 절감 방안: 황이나 망간을 양극활물질로 적용

Co-free를 실현한다고 해도 가격을 낮추는데 한계가 있기 때문에 $75/kWh보다 가격을 낮추기 위해서는 다른 재료를 고려해야 한다.

아래 그림은 지구상에 많이 존재하는 물질을 정리한 것이다. 이중 Ca, Al, Mg, S 등이 전지의 양극 활물질로 사용될 수 있는데 이중 기존의 금속 산화물을 대체하는 것으로 많이 연구되고 있는 재료가 황(Sulfur)이다.

지구상에 분포하고 있는 물질의 양

닛산은 2030년 달성 목표로 내세운 세 가지 목표를 달성하기 위해 아래 표와 같이 NASA를 비롯해 일본, 미국, 영국의 대학과 3개 연구 영역에서 기술 협력을 진행 중이다.

닛산의 기술협력 기관 및 연구 영역

특히 NASA와 제휴해 “원재료 정보학 플랫폼”이라는 데이터 베이스를 이용해 수십만 개의 재료들 중 어떤 재료가 가장 적합한지를 테스트하고 있다.

NASA는 현재 전기 항공기(Electric Aviation)에 적용할 배터리 개발을 위해 “SABER” (Solid-stage Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability)라는 프로그램을 운영하고 있는데 이 프로그램의 이름에서 알 수 있듯이 전고체 전지를 개발 중이다.

이 프로그램에서 개발하고 있는 고체 전해질은 도쿄 공업대의 菅野(Kanno) 교수가 개발한 LGPS를 사용하고 있고 음극은 리튬금속이다. 특히 양극 활물질은 아래와 같이 황(Sulfur)을 사용하고 있다. 즉 리튬-황전지를 개발 중이다.

NASA "SABER" 프로그램에서 개발중인 전고체전지

닛산이 협력하고 있는 NASA가 전고체 전지로 리튬-황 전지를 고려하고 있고 닛산도 2028년 출시할 전고체 전지의 양극활물질로 황을 언급한 것을 볼 때 닛산의 전고체전지는 기존의 양극활물질인 NCM이나 NCA가 아닌 황이 될 가능성이 높다.

사실 아직까지 리튬-황전지는 전도도의 향상이나 리튬 폴리 설파이드의 용해 문제등 해결해야 할 문제들이 많아 재료자체가 개발 중이다. 때문에 현시점에서는 재료 자체의 가격이 낮다고 볼 수는 없다.

그러나 향후 리튬-황전지의 재료체계가 확정되어 양극 활물질로 황이 보편화되고 대량으로 생산 가공된다면 지구상에 존재하는 양이 많은 만큼 현재의 양극 활물질보다는 가격이 싸질 것으로 예상된다.

 

2. 급속충전 속도 향상: 충전시간 1/3로 단축

닛산은 2021년 “닛산 2030 Ambition”에서 급속충전 능력을 향상시켜 충전시간을 1/3로 단축시키겠다고 발표했고 2023년 2월에는 닛산 유럽 연구개발 부사장인 David Moss가 충전 파워를 현재 130kW에서 2030년에는 400kW로 3배로 높이겠다고 구체적인 목표치를 제시했다. 

닛산은 충전속도 향상을 위한 방안으로 고체 전해질을 고려하고 있다.

닛산의 전고체 전해질을 이용한 충전속도 향상 방안

고체 전해질이 충전속도를 높일 수 있는 이유는 높은 온도에서 사용이 가능하다는 점 때문이다. 충전속도를 높이기 위해서는 기본적으로 높은 전류를 사용할 수 있어야 하는데 높은 전류를 사용하게 되면 발열로 인해 전지의 온도가 높아지게 된다.

액체 전해질은 비점이 낮은 유기 용매를 사용하기 때문에 60도 이상의 온도에서는 사용할 수 없어 전류를 높이는데 한계가 있다. 그러나 전고체전해질은 유기용매를 사용하지 않기 때문에 높은 온도까지 사용할 수 있어 더 높은 전류를 사용할 수 있고 이는 충전속도의 향상을 가져온다고 설명하고 있다.

이외에도 전고체전지는 아래 그림과 같이 bipolar구조로 구성이 가능하다. bipolar구조는 액체 전지에서 대부분 사용하는 monopolar구조보다 전류의 경로를 단순화할 수 있어 충전속도를 더 높일 수 있다는 장점이 있다.

액체전지와 전고체 전지의 구조

전고체 전해질 개발을 위해 닛산은 고체전해질 분야에서 앞선 기술을 가지고 있는 도쿄공업대등과 기술협력을 하며 황화물 전고체 전해질을 개발하고 있다.

 

3. 에너지 밀도 2배 향상:리튬메탈 음극 적용

에너지 밀도증가방법으로는 음극 활물질 변경을 고려하고 있다.

2028년까지 액체 전해액 시스템에서는 음극으로는 SiOX나 SIC 등의 실리콘계 재료를 사용하여 에너지 밀도를 증가시킬 계획이다.

2028년 이후 적용될 전고체 전지에서는 음극으로 리튬메탈을 사용할 계획이다. 리튬 메탈은 잘 알려진 바와 같이 흑연보다 높은 용량을 낼 수 있기 때문에 에너지밀도를 증가시킬 수 있다. 에너지밀도를 증가시키기 위한 것도 있지만 전고체 전지에서는 리튬-황전지를 적용할 계획인데 리튬-황전지는 음극으로 실리콘이나 흑연을 사용할 수 없기 때문에 리튬메탈 음극을 사용할 수밖에 없다.

앞서 언급한 닛산의 개발 전략을 요약하면 아래와 같다.

액체전해질 시스템에서 적용 계획 중인 코발트 프리 양극 활물질과 실리콘계 음극 활물질은 현재 양산 제품들에서도 채용 비중을 늘려가기 때문에 실현 가능성이 높다고 할 수 있다. 그러나 2028년에 양산하겠다고 밝힌 전고체 전지 기술들은 세 가지 재료 모두 아직 확정된 기술이 없고 다양한 연구가 진행 중이다.

양극에 황을 사용하는 리튬-황 전지는 전도도가 낮은 문제와 리튬폴리설파이드가 용해되는 문제를 해결해야 하고 음극에 리튬 메탈을 사용하는 것은 리튬의 덴드라이트 문제를 해결해야 한다.

황화물 전고체 전해질은 액체전해질과 동등한 이온전도도를 갖는 LGPS (Li10GeP2S12)나 LPS (Li7P3S11)등이 개발되어 전고체 전지의 양산 가능성이 높아지고 있지만 계면저항의 문제나 공정구현의 문제를 해결할 방법을 찾아야 한다.

 

4. 전고체 전지 생산 계획

닛산은 현재 가나가와현 닛산연구센터에 프로토타입 생산시설을 갖추고 전고체 전지를 연구 개발 중이다.

이곳에서는 폭 100mm 크기의 3~5Ah셀을 만들어 테스트하고 있다.

가나가와현에 있는 닛산의 전고체 전지 프로토타입라인의 셀 제작 모습

아래표는 닛산의 전고체 전지 개발 및 양산 계획이다.

2024년에 일본 요코하마에 전고체 전지 파일롯 라인을 완공할 계획이고 2026년에는 설계와 공정개발을 마무리한 후 2028년 양산을 시작할 계획이다.

양산 공장을 건설하는 계획은 아직 발표되지 않았지만 2028년 양산을 하려면 2027년에는 완공을 해야 할 것으로 보인다.

2028년 양산을 발표했지만 에너지밀도 2배, 충전속도 1/3, 가격 $65/kWh의 목표는 2030년으로 발표했다. 이를 볼 때 2028년에는 소량으로 생산하여 차량에 적용해 보고 어느 정도 데이터가 쌓은 후 2030년부터 본격적으로 위 기술들을 양산차량에 적용하여 생산할 것으로 예상된다.

 

5. 향후 전망

일본은 세계최초로 전기차 양산을 시작했고 앞선 하이브리드 기술로 자동차의 전동화 초기에 주도적인 역할을 해왔다. 그러나 전기차보다는 내연기관이나 하이브리드 자동차를 선호하는 일본소비자의 특성으로 인해 지속적으로 전동화의 진입을 서두르지 못했다. 2022년 전기차 판매율을 보면 중국과 유럽, 미국, 한국등의 자동차 OEM들이 전 세계 전기차의 90%를 생산 판매하는 동안 일본의 전기차 비율은 5% 미만이었다.

대부분의 자동차 OEM들이 2035년이나 2040년 완전 전동화를 발표하며 전기차는 향후 자동차 산업의 주류로 인정받고 있다.  이런 대세의 흐름에 뒤늦게 합류하는 일본 자동차 회사들은 뒤쳐진 전세를 역전시킬 무기로 전고체 전지를 준비하고 있다.

전기차 초기 선도적인 위치에 있던 닛산은 전기 자동차분야에서 경쟁력을 갖기 위해 2007년 51%의 지분을 보유한 AESC를 통해 리튬이온전지를 자체 생산했었다. 그러나 일본 내수 시장에서 전기차의 인기가 높지 못하고 전 세계적으로 전기차 시장이 현재와 같이 폭발적인 증가세를 가져오지 못하여 닛산의 전기차 판매량이 높지 못했다. 그렇게 되자 자체 생산하는 비용보다 구매하는 비용이 더 싼 상황에 직면하게 되었고 2018년 AESC의 지분을 중국 에너지 회사인 Envision에 매각하여 현재는 전지를 구매하여 사용하고 있다.

그러나 현재는 시장 상황이 변하여 전기차 시장이 폭발적으로 증가하는 단계에 접어들었다. 닛산이 만일 적극적인 전동화를 고려한다면 리튬이온 전지의 자체 생산을 고려할 수도 있을 것이다. 그러나 닛산은 2030년까지도 내연기관과 친환경차를 반반 생산하겠다는 생각을 가지고 있어 다른 자동차 회사들에 비해 전동화에 소극적이다. 즉 자체 생산해서 소비할 전기차 물량이 많지 않을 것이기 때문에 리튬이온전지는 구매하는 것이 유리하다고 생각하고 있다.

대신 닛산은 기존 리튬이온전지가 아닌 차세대 전지에 승부를 걸었다. 현재의 리튬이온 전지 기술은 어느 정도 성숙한 단계에 접어들어 기술적인 격차가 크지 않다. 닛산이 개발하고 있는 전고체 전지는 전고체 전해질 자체의 난이도도 높지만 거기서 한 단계 더 난이도를 높여 다른 회사들이 도전하지 않는 리튬-황전지 기술을 고려하고 있다. 이러한 기술 선진성을 가진 배터리를 양산한다면 미래 전기차 시장에서 충분히 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다.

닛산은 이러한 기술들을 준비하기 위해 차근차근 준비해 온 것으로 보인다. 리튬이온 전지를 자체 생산하던 AESC를 매각한 2018년에 NASA와 협력을 시작했고 전 세계의 경쟁력 있는 대학 연구소들과 협력하여 전고체 전지 개발을 진행해 오고 있다.  2028년 전고체 전지 양산 발표가 갑작스러운 발표가 아니라 10년간의 개발 목표를 세우고 꾸준히 투자한 결과라고 할 수 있다.