Nikkei Automotive_2018.7 연재 강좌 (p74-77)

배터리의 성능 향상과 저 코스트화
전고체배터리는 2030년에 실용화

EV(전기자동차)의 보급은 배터리의 진화가 관건이다. 리튬이온배터리의 성능 향상은 정극재인 니켈의 비율을 높이는 방법으로 진행된다. 셀 비용이 100달러/kWh를 달성하면 차량 가격과 차량 비용이 같아진다. 포스트 리튬이온배터리로서 기대를 받고 있는 전고체배터리는 2030년 무렵의 실용화가 유력하다.

본 연재에서는 마크로∙미크로의 관점에서 EV의 시장성을 살펴봤다. 이번에는 EV 보급에 있어서 최대의 기술적인 장벽인 배터리에 대해 살펴본다.

EV 보급에 있어서 해결해야할 과제로 ‘차량 비용’ ‘항속거리’ ‘충전 시간’의 세가지를 들 수 있다. 이중 ‘차량 비용’의 경우는 배터리 비용이, 특히 엔진 차와의 가격 차이의 관점에서 크다.

EV의 경우는 엔진 차에서 엔진과 변속기를 생략하고 대신에 모터나 인버터, 배터리를 새롭게 추가하게 된다. 모터와 인버터만이라면 엔진과 변속기의 합계보다도 비용이 다소 낮아진다. 때문에 EV 비용은 배터리 비용으로 결정된다.

배터리 비용은 ‘탑재용량 X 용량당 비용’이다. 예를 들면, 독일 폭스바겐 ‘골프’의 EV 모델(e-Golf)은 35.8kWh의 리튬이온배터리를 탑재한다. 2015년 당시의 가장 낮은 배터리팩 비용을 2.5만엔/kWh 정도라고 한다면, 엔진을 탑재한 베이스 모델에 대해 60만엔 정도의 가격 상승으로 억제하고 있는 현재의 가격 설정으로는 적자일 것으로 상정된다.

한편, 2020년 무렵에 발매될 것으로 보이는 차기 모델은 수요를 충족시키기 위해 항속거리 400km정도, 배터리의 탑재 용량은 60kWh정도까지 늘어날 것으로 예상된다. 2020년의 배터리 비용이 폭스바겐의 생각대로 1.2만엔/kWh 이하가 되어, 차량판매가격이 현재와 같은 수준이라면 수익성은 손익분기점에서 수%가 될 것으로 보인다.

다음으로 이와 같은 배터리 비용 하락이 실현 가능한지에 대해 기술과 사업의 양면에서 살펴본다. 현재 차량탑재 용도에서 주류인 액체 전해질을 이용한 액체형 리튬이온배터리에 있어서, 기술면에서의 코스트 퍼포먼스 개선의 최대 요인은 정극재의 진화다.

기존에는 배터리기업이나 유저인 자동차기업 각 사가 독자의 성능 최적화를 목표로 망간계(LMO), 인산철계(LFP), 니켈계(NCA) 등 다양한 재료를 채용해 왔다. 그러나 EV용 대용량 배터리의 경우는 최근에 와서 가장 밸런스를 갖춘 삼원계(NCM, 니켈∙코발트∙망간)로 집약되고 있다.

-- 배터리의 니켈 비율은 높아진다 --
앞으로는 성능향상과 비용 삭감의 양면에서 삼원계의 각 구성 원소의 비율, 특히 니켈의 구성 비율을 높임으로써 단위당 에너지 밀도를 향상시킨다. 동시에 고가의 희소금속인 코발트의 사용량을 삭감하여 코스트 퍼포먼스의 향상을 목표하는 ‘하이니켈화’의 움직임이 어떠한 페이스로 진행될 것인가가 기술면에서의 최대 포인트가 될 것이다.

현재는 니켈:코발트:망간의 비율이 거의 1:1:1과 5:2:3이지만, 앞으로 5년~10년 후에 최종적으로는 8:1:1까지 하이니켈화가 진행될 것으로 보인다. 이를 통해 현행 셀 비용을 2/3정도까지 저감할 수 있게 된다.

또 다른 장벽은 충전 시간이다. 충전 시간을 단축하기 위해서는 고출력 충전에의 대응이 필요하며 충전 시에 배터리 셀의 발열을 억제하기 위해 셀 내부의 저항을 억제할 필요가 있다. 셀 내부에서의 저항을 억제하는 것과 배터리 용량을 늘리는 것은 기본적으로 트레이드 오프의 관계에 있기 때문에 배터리 셀의 개발에 있어서는 ‘항속거리+비용’과 ‘충전 시의 편리성’의 밸런스를 어떻게 할 것인가가 큰 포인트가 된다.

사업적인 관점에서는 배터리 비용 저하의 실현 가능성을 우려하는 견해로서 ‘셀의 공급(생산) 능력’과 ‘원재료 조달’의 2개를 들 수 있다.

주요 배터리 기업들이 발표한 증산 계획을 바탕으로 생산 능력을 올리면, 현재 상정된 전동차용 배터리 수요의 급증에 대응하기 위해서는 2021년까지의 증산과 같은 페이스로 증산 투자를 2030년까지 계속할 필요가 있다.

또한, 원재료 조달에 대해서도 수요 급증에 따르는 단순한 원재료의 공급능력 부족과 높은 원재료 가격이 하락하지 않을 위험도 있다. 그리고 특히 중국 등 일부 원재료(희소금속) 산출국의 자원 내셔널리즘 등의 마크로적인 정책 위험도 고려한 복잡한 이해관계를 살펴볼 필요가 있어 그 방향성을 일률적으로 예측하는 것은 곤란하다.

이와 같은 상황 하에서 조금이라도 원재료 조달 위험을 경감하기 위해, 특히 향후 EV판매의 확대에 맞춰서 막대한 배터리 조달이 필요한 독일의 자동차기업을 중심으로 배터리기업뿐 아니라 유저인 자동차기업 스스로 원재료의 권익 확보를 위해 움직이고 있다.

결과적으로 2020년 시점에서, 대량 조달을 전제로 한 경우에는 배터리팩 비용이 2만엔/kWh이 되고, 2030년까지의 10년 동안에 배터리 비용은 1만엔/kWh까지 내려갈 것이다.

-- 전고체배터리로 저비용화 --
이와 같은 코스트 퍼포먼스 개선의 한계가 보이기 시작한 기존의 액체형 리튬이온배터리를 대신하는 차세대 기술로서 기대를 받고 있는 것이 전고체배터리다. 전극간의 전해질을 고체화하는 전고체배터리에도 몇 가지 기술 방식이 있고, 차량탑재 용도로 여겨지고 있는 것은 유화물계의 무기계 재료를 이용한 방식이다.

현재 전고체배터리로 조달할 수 있는 에너지 밀도는 1,000Wh/L정도이며, 현행 기술의 몇 배와 같은 불연속적인 성능 향상을 전망할 수 있는 것은 아니다. 액체형 리튬이온 배터리의 경우는 에너지 밀도와 충전 시간 단축을 양립하기 어렵지만 전고체배터리는 양립의 가능성이 있다. 또한 온도안정성이 높고 안전성도 높아지기 때문에 배터리팩 전체에서의 간소화∙저비용화가 추진될 가능성이 높다.

그리고 전고체배터리가 게임체인저가 될 수 있다는 사업 배경으로서 다음을 들 수 있다. 현행 액체형 리튬이온배터리의 글로벌 플레이어가 일본, 한국, 중국의 5사(파나소닉, LG화학, 삼성SDI, CATL, BYD)로 좁혀지고 있다는 점. 그리고 자동차기업에 의한 내제화나 신흥 벤처기업의 기술 등을 이용함으로써 배터리 공급의 밸류체인을 크게 바꿀 가능성이 있는 점이다.

배터리 양산 프로세스가 거대한 설비 산업이라는 사실을 고려하면, 현실적으로는 향후 2030년까지 새롭게 증설되는 액체형 리튬이온배터리의 제조 설비의 상각 기간도 고려한 논의가 필요해진다.

실제로 도요타나 혼다 등 일본의 자동차기업이 HEV(하이브리드차)에서 이용해 온 니켈수소배터리에서 현세대의 액체형 리튬이온배터리로 시프트하고 있다. 앞서고 있는 일본의 자동차기업은 이미 설비투자 부담을 상각하여 제조고정비가 완전히 내려간 니켈수소배터리를 HEV에서 계속 사용하고 있다. 실제로 액체형 리튬이온 배터리가 양산을 시작한 이래 10년 정도는 계속 사용되고 있다.

가령 2030년 무렵에 전고체배터리를 EV에 탑재하기 시작하더라도 비용의 이점을 활용한다는 점에서도 액체형 리튬이온배터리의 시장이 급격하게 전고체배터리로 대체되지는 않을 것이다.

  -- 끝 --