차세대 배터리의 현재와 미래

모든 새로운 산업에는 안전, 가격 그리고 혁신이라는 세 가지 속성이 존재합니다. 

이 중 어느 한 가지에만 집착하다가 다른 부분을 잃으면서 사라져 간 많은 제품과 아이디어들이 있습니다.

리튬 이온 배터리가 처음 개발된 1972년 이후 50년 가까이 지난 현재는 대부분의 휴대용 스마트 기기에는 리튬 이온 전지를 사용하고 있습니다. 이제 리튬 이온 아니 2차 전지로서의 리튬 이온 배터리는 전기차 시장에서 더 뜨겁게 달아오르고 있습니다. 액체 전해질을 사용하기에 고출력이 필요한 전기차에 위험성과 에너지 밀도의 한계가 있는 리튬 이온 배터리를 넘어 새롭게 전기차 시장에 군림할 안전성을 확보하고, 가격은 낮추며 개발될 혁신적인 차세대 배터리는 어떤 것일까요?

 

이번 글은 다음과 같은 순서로 차세대 배터리에 대한 현재와 미래를 살펴보고 산업 전반에 대한 이해와 투자자로서의 안목을 갖추고자 정리한 내용입니다.

 

1. 전고체 배터리란?

2. 국내외 전기차 배터리 기업들의 차세대 배터리 개발 현황 및 계획

3. 차세대 배터리의 선택 - 대체제인가 전고체인가?

 

1. 전고체 배터리란?

차세대 전지로 주목받고 있는 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에 존재하는 전해질을 액체에서 고체로 대체하는 배터리입니다. 전고체 배터리는 전지 하나에 전극과 고체 전해질을 층층이 연결하는 방식으로 현재 주로 사용 중인 리튬 이온 배터리에 비해 화재 및 폭발의 위험성이 낮기 때문에 활물질을 늘려서 에너지 밀도를 높일 수 있고, 별도의 냉각장치가 필요치 않은 점으로 인해 비용절감을 할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 리튬이온 배터리에 2차 전지 자리를 내줄 수밖에 없던 이유는 액체 전해질처럼 전도율이 높은 소재를 발견하지 못했고, 따라서 높은 출력이 요구되는 전기차에 적용할 수가 없기 때문입니다.

 

국내에서는 지난 2020년 5월 13일 삼성전자 이재용 부회장과 현대자동차 정의선 수석 부회장이 만나 전기차 배터리 개발을 논의하면서 대중의 관심을 받기 시작했습니다.  

 

2. 국내외 전기차 배터리 기업들의 차세대 배터리에 대한 개발 현황 및 계획

본론부터 말하자면 차세대 배터리라 불리는 전고체 배터리의 상용화 시점입니다. 아래 자세히 언급되겠지만 업계에서는 전고체 배터리의 개발 및 상용화는 2020년대 중반 이후로 예상하고 있습니다. 또한 전고체 배터리의 경우 양산을 위해서는 새로운 라인을 설비해야 한다는 부담도 따르게 됩니다. 

따라서 유수 기업들의 일반적인 전망은 리튬 이온을 대체할 신소재 개발이라는 현실적 대안과, 전고체 배터리 개발이라는 중장기적 계획이 양립되는 것으로 보입니다.

 

▶ 주요 기업들의 배터리 개발 계획 - 니켈 함량 높이고 코발트 함량 낮추고

 

- LG화학: 니켈 코발트 망간 알루미늄 (NCMA)을 사용한 배터리 2021년부터 양산 계획

  현재 LG화학은 니켈 비중을 낮추기 위한 연구를 진행 중입니다. 전기차 배터리의 양극재는 니켈·코발트·망간(NCM)이 각각 70%, 10%, 20% 포함되어 있습니다.
  니켈 코발트 망간 알루미늄은 전략소재인 코발트의 사용량을 5%로 줄이고 니켈 함량을 80% 이상 높이고, 소량의 알루미늄을 더해 니켈이 가지고 있는 불안전성을 최소화하면서 에너지 밀도를 향상했다고 합니다. 코발트의 함량을 줄여서 가격을 낮추고, 니켈 함량 증가로 인해 출력이 높아짐으로써 전기차 1회 충전 시 주행거리를 늘려줍니다. 

 

- 삼성SDI: 2022년 하이니켈 양극재 양산 목표 

 

  삼성SDI의 경우 니켈 함량을 80%까지 올린 니켈·코발트·알루미늄(NCA)을 사용한 배터리를 2021년부터 생산할 계획입니다. 또한 하이니켈(High Nickel)계 양극소재 시장을 선점하고 있는 에코프로비엠과 차세대 양극재 양산을 목표로 합작법인인 에코프로이엠을 설립하였습니다. 전구체부터 양극소재까지 일괄 개발 및 생산 체계를 구축한 에코프로비엠은 독창적인 원천기술 개발과 10년 이상 축적된 양산 기술로 이미 국제경쟁력을 확보한 기업으로서 양사의 협력을 통한 차세대 배터리에 대한 시너지 효과를 기대할만합니다.

 

 

- SK이노베이션: 니켈 함량 90%인 배터리 개발 중

 

   당사는 현재 니켈·코발트·망간의 함량이 80%, 10%, 10%인 배터리를 헝가리 및 중국의 창저우 공장에서 생산 중이며, 향후 니켈 함량을 90%로 높이고 코발트·망간의 함량을 5% 낮춘 제품의 상용화를 위한 개발을 하고 있습니다.

 

기타 대체 소재에 대한 연구는 아래와 같습니다.

 

- 한국과학기술원 생명화학공학과 김희탁 교수팀: 기존 리튬 이온 배터리보다 이론적인 용량이 4배인 차세대 리튬 황 배터리 개발에 성공

 

에너지 밀도 높인 차세대 리튬 황 전지 기술 개발 – Sciencetimes

 

-  KIST: 리튬보다 안전한 아연이온 배터리 개발

 

 

KIST, 리튬보다 안전한 아연이온 배터리 개발

 

 

▶ 주요 기업들의 배터리 개발 계획 - 전고체 배터리

 

- LG화학: 현재 전고체 배터리는 연구 단계

 

  2020년 리튬 이온 배터리 사용량 기준 점유율 세계 1위 기업인 LG화학의 경우 차세대 전지인 전고체 배터리에 대한 부분은 아직 연구 단계인 것으로 알려져 있습니다. 예상으로는 연구 단계가 개발로 이전되는 순간 구체적은 제품의 양산계획이 나오지 않을까 생각됩니다.

 

- 삼성SDI: 2027년 전고체 배터리 상용화 제시

 

  삼성SDI는 삼성종합기술원과 협력해 전고체 배터리 기술 공동 개발에 나선다고 발표했습니다. 당사는 또한 2027년 후 상용화를 목표로 한다고 밝혔습니다.

 

- SK이노베이션: 노벨화학상 수상자 구디너프 교수와 함께 전고체 배터리 공동연구

 

   차세대 배터리인 리튬 메탈 배터리에 관련 기술을 2019년 노벨화학상 수상자인 미국 텍사스 대학교의 구디너프교수와 공동 연구를 한다고 발표했습니다. 공동 연구는 전고체 배터리의 문제점인 덴드라이트 현상을 해결할 '고체 전해질'에 관한 연구입니다. 

   초기의 배터리는 전해질이 액체로서 물을 기반으로 했는데, 물은 전기적으로 불안한 물질이기 때문에 전압을 높이기가 어려웠는데, 리튬 이온 배터리는 물 대신 다른 전해질을 이용하여 전압을 3.7V까지 올릴 수 있게 되었습니다. 이 연구에 기여한 구디너프 교수는 2019년 노벨 화학성 수상자가 되었습니다.

  

 

- 도요타: 2022년 전고체 배터리 양산 계획

 

  글로벌 전기차 배터리 시장을 우리나라에 넘겨준 일본의 경우 도요타를 중심으로 이미 오래 전인 2008년 차세대 배터리 연구소를 출범시킨 후 전고체 배터리를 개발한다고 발표했습니다. 또한 민관 컨소시엄을 조성하여 빠르면 2022년까지 전고체 배터리 상용화에 나설 계획이라고 밝혔습니다.

  이에 따라 독일의 폭스바겐, BMW 도 2020년 대 중반 전고체 배터리를 장착한 전기차를 출시할 계획을 갖고 있습니다.
  

  중국 시장 또한 전고체 배터리 개발이 활발하게 이루어지고 있는 상황입니다.

 

  칭다오 에너지는 이미 2018년에 고체 전지 생산라인을 가동하기 시작했고, 웨이란신에너지, 완샹123 그리고 대만의 배터리 업체인 후이넝커지 등도 고체 전지 공장 건설 및 개발에 박차를 가하고 있습니다.

 

  전반적으로 전고체 배터리 개발은 일본이 가장 앞서있는 것으로 보입니다. 리튬 이온 배터리 세계시장 점유율을 우리 국내 기업에 내준 일본으로서 도요타는 철저한 보안 속에서 배터리 기술을 연구하고 있습니다. 게다가 막대한 투자를 앞세운 중국의 기업들과의 경쟁 속에 국내 기업도 정부와 협업을 통한 보다 적극적인 연구 개발 경쟁에 나설 필요가 있겠습니다.

 

3. 차세대 배터리의 선택 - 대체제인가 전고체인가?

 

전기차 업체인 테슬라는 다가오는 9월 22일 배터리 데이에서 100만 마일 배터리를 공개할 것으로 많은 기대를 모으고 있습니다. 과연 테슬라는 항간의 예측대로 코발트 없는 배터리를 공개할지 주목됩니다. 이 예측이 맞는다면 전기차 시장은 새로운 국면을 맞이하게 될 것이고 차세대 전지인 전고체 배터리에도 새로운 반향을 불러일으킬 것입니다. 

 

지난 8월 13일 교토대-토요타 자동차 연구팀이 1회 충전으로 1000km를 주행할 수 있는 차세대 배터리 연구에 의미 있는 진전을 이뤄냈다고 닛케이아시안리뷰가 보도했습니다. 교토대 연구팀은 새로운 플루오라이드-이온 배터리(FIB, Fluoride-ion battery)의 시제품을 개발하고, 리튬 이온 배터리에 비해 단위 무게당 7배의 에너지를 저장할 수 있다는 것을 확인했다고 발표했습니다. 이 연구결과가 상용화된다면 전기차 시장의 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 보입니다.
(관련기사: 2020.08.13 조선비즈 https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/13/2020081303267.html?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz)

 

미국, 일본, 중국의 공세 속에서 국내 배터리 3사 및 관련 기업들은 중장기적으로는 전고체 배터리의 개발, 가깝게는 니켈 함량을 늘리고 코발트 함량을 낮추어 주행거리와 수명을 개선하는 배터리 개발에 힘을 쏟고 있는 만큼 전기차 배터리 시장은 기대보다 빠르게 확대될 것으로 전망합니다.

 

내용 중 잘못된 부분이나 수정할 부분이 있으면 소중한 댓글 부탁드립니다.

 

[참고 자료]

 

LG화학, 차세대 NCMA배터리 앞당겨 양산 추진 - 전자부품 전문 미디어 디일렉

 

SK이노베이션, '노벨상' 수상자와 차세대 배터리 공동 개발

 

업계가 주목하는 차세대 배터리 '전고체 배터리' 어디까지 왔을까

 

 

전고체 배터리는…안전성 높고 부피 작아 차세대 전기차의 핵심

 

[단독] 테슬라, 차세대 배터리 '실리콘 음극재' 채택?…美 특허

 

"니켈 함량 늘리자" 성능개선 사활 건 배터리 3사

 

[Science in Biz] 전기차 시대…`100만마일 배터리`에 사활 건 기업들

 

 

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