현재 대부분 전기차에 사용되는 배터리는 리튬이온 2차 전지다. 리튬이온은 에너지 밀도가 높을수록 주행 가능 거리는 늘어난다. 하지만 높은 에너지 밀도를 유지하려다보니 화재나 폭발 위험성을 가지고 있다. 결정적인 단점이다.
독일보험협회 산하 화재예방 연구소(VDS)에 따르면 리튬이온배터리는 기계적 손상, 과방전, 과충전으로 인해 전기적 결함, 내부과열, 외부로부터 2차 열 방출이 발생해 폭발 반응이 일어날 수 있다고 한다. 이를 해결해 줄 차세대 배터리 대표주자가 바로 전고체 배터리다.
전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지를 말한다. 전고체 배터리를 전기차에 장착하면 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않다. 관련 부품 수를 대폭 줄일 수 있어 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다. 가벼울 뿐더러 주행거리를 늘릴 수 있다.
고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지 종류다. 산화물계는 저항이 높아 전기차보다는 소형 전지에 주로 적용된다. 폴리머계 전해질은 기존 액체 전해질 기술과 유사하고 제조 공정도 비슷해 제조 비용을 낮출 수 있다. 황화물계 전해질이 가장 높은 이온 전도도를 보유하고 900Wh/L 이상의 높은 에너지 밀도 구현도 가능해 가장 활발히 연구가 진행되고 있다.
전고체 배터리는 말 그대로 꿈의 전지다. 상용화까지 기술력이 부족하다. 리튬이온의 이동수단인 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서 저항을 최소화해야 하는 기술적 과제를 해결해야 하는 상황이다.
국내 배터리 업체들은 세계적인 연구진과 함께 전고체 배터리 개발에 속도를 내고 있다. LG에너지솔루션은 2026년 고분자계, 2030년 황화물계 배터리 상용화가 목표다. 삼성 SDI와 SK온은 2027년과 2030년 각각 황화물계 배터리 상용화를 계획하고 있다.
중국 산업정보기술부에 따르면 올해 여름쯤 중국 전기차 업체 니오가 고체 배터리 전문인 위라이언과 손을 잡고 전기차 배터리를 전고체로 교체해 출시한다. 2021년 초 니오는 ET7에 150kWh 전고체 배터리 팩을 장착할 계획을 밝혔다.
아직 진행 상황과 관련된 세부 정보가 나오지 않았지만 올해 2월 진 리홍 니오 사장은 “이번 여름에 150kWh 용량의 배터리팩을 전기차에 제공할 것”이라고 말했다. 니오가 전고체 기술을 제공하는 최초의 전기차 제조업체가 될 것으로 보인다.
일본 닛산자동차도 지난 2월 “전고체 배터리 개발이 성공적으로 진행돼 2025년 시범 생산을 시작하고 2028년부터 양산차에 적용할 것"이라고 밝힌 바 있다.
이렇듯 전고체 배터리 개발에 힘쓰고 있는 가운데 현재 가장 널리 사용되는 리튬이온 신제품 개발 경쟁도 뜨겁다. 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 4가지 요소로 구성된다.
양극재 소재에 따라 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄), LFP(리튬·인산·철) 배터리가 있다. 국내 전기차 배터리 제조사는 주행거리와 출력이 우수한 NCM 배터리를 주로 생산했지만 이제는 CATL 등 중국계 배터리 제조사를 따라 LFP 배터리로 눈을 돌리고 있다. 제조 비용이 상대적으로 저렴하고 안정성이 뛰어나서다.
그동안 LFP 배터리는 낮은 에너지 밀도로 주행거리가 짧고 저온 성능이 떨어진다는 단점이 뚜렸했다. 최근 중국 업체들이 기술 개발로 이런 문제를 해결하자 NCM 배터리만 고집해온 국내 배터리 제조사의 인식도 바뀌고 있다.
전기차 배터리 점유율 1위 CATL은 최대 700km의 주행거리를 갖춘 M3P 배터리 양산을 본격화한다. 대외경제정책연구원에 따르면 CATL은 기존에 주력으로 삼던 LFP 배터리에서 철 소재를 빼고 마그네슘과 아연, 알루미늄 등 소재를 혼합한 기술을 완성했다. 새로운 배터리 M3P에는 이 기술을 적용해 에너지 밀도를 이론상 15%까지 높일 수 있다.
이에 따라 SK온은 지난 3월 국내 기업 최초로 LFP 배터리 시제품을 선보였다. LG에너지솔루션과 삼성 SDI, 에코프로비엠 등 또한 최근 전기차용 LFP 셀을 개발하고 있다. 이용욱 한화투자증권 애널리스트는 블룸버그에 “한국 기업 또한 여러 기술을 보완하면 결국 LFP 배터리를 만들 수 있다”면서도 “문제는 중국 경쟁사만큼 원가 경쟁력을 갖출 수 있느냐가 관건”이라고 분석했다.
송현진 에디터 hj.song@carguy.kr
