전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2018.8 특집 (p47-56)

전고체배터리, 일본과 미국의 기술 대결
All Japan VS 미국 벤처

Part 1. 동향
도요타 ‘최우선은 실용화’

EV에서의 전고체배터리 실용화가 시작될 것으로 전망되는 2022년까지 앞으로 4년. 개발 경쟁은 최종 코너로 접어들었다. 일본에서는 신에너지∙산업기술총합개발기구(NEDO)가 23개의 기업이 참가하는 100억엔 규모의 개발 프로젝트를 발족시켰다. 한편, 미국에서는 유망한 기술을 보유한 벤처기업이 속속 등장하면서 하나의 벤처가 세계 기업으로부터 수십억~백억 엔 규모의 자금을 조달하고 있다.

“최우선으로 전고체배터리를 실용화 단계까지 추진하고 싶다. 하루라도 빨리 출범시키고 싶다”. 도요타자동차 배터리재료기술연구부의 이바(射場) 부장은 NEDO가 발족시킨 전고체배터리 개발 프로젝트 ‘선진∙혁신축전지재료평가기술개발(제2기)’를 발표하는 자리에서 실용화에 대한 의지를 이렇게 표명하였다.

-- 기업에서 40명 파견, 총 100명 체제로 개발 --
이 프로젝트는 조성액이 약 100억엔으로 2018년부터 2022년말까지 5년간 진행되며, 다양한 기업 23사가 참가하는 이른바 올재팬 체제다.

참가하는 기업은 개발 위탁처인 기술연구조합리튬이온배터리재료평가연구센터(LIBTEC)와 자동차∙2륜차기업 5사, 배터리기업 5사, 재료∙제조장치기업 13사의 23사다. 또한 대학이나 연구기관 15기관도 공동제안자로서 참가한다. 참가하는 배터리 업체는 파나소닉, GS유아사, 후지필름, Maxell 그리고 2017년 가을에 소니의 배터리사업부를 양도받은 무라타제작소다.

이 중에 도요타자동차, 닛산자동차, 혼다기술연구소 등의 자동차기업 3사와 파나소닉이 개발을 주도하며 전고체배터리의 고성능화와 양산 기술을 개발한다. 실제 연구 개발은 LIBTEC의 20명과 기업에서 파견되는 40명, 대학 등에서 파견되는 40명, 총 100명 체제로 2018년 7월부터 시작한다.

-- 액체 LIB에서는 더 이상 승산이 없다 --
이 발표회에서 NEDO는 전고체배터리 기술과 시장에 대해 독자적인 예측을 제시하였다. “2025년에는 발매되는 EV의 절반이 전고체배터리를 탑재한다”(NEDO 차세대배터리 수소부의 호소이(細井) 프로젝트매니저). 2030년에는 대부분의 EV가 전고체배터리를 사용할 것으로 전망한다.

현재, 한국이나 중국에서는 배터리업체 총 10사가 거액을 투자하여 액체 전해질판 리튬(Li)이온 2차배터리(액체LIB)의 생산 능력을 대폭 확장하고 있다. 배터리 가격도 이미 150달러/kWh 전후로 저가 제품이 등장하여 일본의 배터리기업 대부분을 따돌리기 시작하였다.
 
한편, 전고체배터리에는 배터리팩의 높은 에너지 밀도, 간편한 급속 충전 등 액체 LIB에는 없는 부가가치가 있다. 만약 일본기업이 전고체배터리 실용화에서 앞선다면 게임 체인저가 되고 배터리뿐만 아니라 EV시장에서도 주도권을 잡을 가능성이 높다. 전고체배터리 실용화의 성패 여부가 일본의 자동차산업 전체의 미래를 좌우한다고 할 수 있다. “일본경제의 발전을 위해서도 축전지의 기술 혁신이 필요하다”(NEDO의 사토(佐藤) 이사)라는 견해는 프로젝트 전체의 공통 인식이다.

-- 미국에서 1억달러 벤처기업 출현 --
현시점에서의 개발 라이벌은 중국이 아니라 주로 미국이다. 지금까지 미국에서는 차세대 배터리 벤처기업이 다수 생겨났다 금새 사라졌다. 그러나 최근에는 양상이 변하기 시작했다. 적어도 여러 벤처기업이 획기적인 기술 개발에 성공하여 일본의 자동차업체를 포함하여 세계적인 대기업으로부터 50억~100억엔 규모의 출자를 받기 시작한 것이다. 양산 적용이 머지않아 가능한 기술도 있다.

예를 들면, 미국 Ionic Materials는 2018년 2월에 히타치카세이와 닛산자동차그룹, 삼성전자, 영국의 다이슨 등의 대기업으로부터 총 6,500만달러를 조달하였다. 스탠포드대학발 벤처기업인 미국 QuantumScape도 18년 6월에 독일 폭스바겐으로부터 1억달러의 추가 출자를 받았다. 게다가 폭스바겐은 이 기술로 전고체배터리를 2025년에 실용화한다고 발표하였다.

콴텀스케이프는 2010년부터 ‘All Electron Battery(AEB, 전전자배터리)’라는 특수한 전고체형 캐퍼시터를 개발하였다. 그 전모는 밝히지 않았지만 폭스바겐은 일찍부터 이 AEB에 주목하여 개발을 지원해 왔다. 만약 그것이 진짜라면 게임의 룰을 다시 쓸 수 있는 EV용 축전지가 될 수 있다.

미국 SolidEnergy Systems는 미국 MIT발 벤처기업으로 미국 General Motors Ventures 등으로부터 총 5,450만달러를 출자 받았다. 솔리드에너지 시스템즈는 부극에 금속Li를 이용한 전고체 LIB 셀을 2017년에 개발하였다. 셀의 중량 에너지 밀도는 450Wh/kg, 체적 에너지 밀도는 1,200Wh/L로 기존의 액체 LIB의 2배에 가깝다. 2019년에는 본격적으로 양산할 계획이다.

일본의 전고체배터리 개발은 이러한 미국의 유망한 벤처기업을 이길 수 있을까?

Part 2. 올재팬
배터리팩에서 밀도 3배 / ‘내열성’에 착안

올재팬 체재로 전고체배터리를 개발하는 프로젝트는 배터리팩에서 체적 에너지 밀도 3배, 급속 충전시간 1/3, 단가 1/3을 실현하는 것이 목표다. 실패할 수 없는 ‘국가 프로젝트’라는 입장 때문인지, 재료는 액체 LIB에서도 실적이 있는 것으로 한정한다. 목표 달성은 전고체배터리의 국제적인 개발 경쟁에서 이기기 위한 최저 라인이라고 할 수 있다.

-- 2종류의 셀을 개발 --
상기의 배터리팩에서의 목표는 최종적으로는 배터리 기업의 목표다. 2020년까지의 프로젝트 자체의 목표는 전고체배터리 셀에 대해 설정되어 있다. 구체적으로는 크게 2종류의 셀을 개발한다.

하나는 ‘제1세대 셀’이라 부르는, NEDO의 2017년까지의 프로젝트에서 개발한 체적 에너지 밀도 200Wh/L의 ‘제1기 셀’의 기술을 베이스로 한 셀이다. 재료는 제1기 셀과 같으며 소자 구조 등을 개선하여 2020년까지 체적 에너지 밀도를 2배 이상인 450Wh/L로 높인다. 그리고 셀을 대형화함과 동시에 양산 기술을 확립하여 2025년에는 업체가 양산할 수 있도록 한다.

다른 하나는 재료의 재고를 통한 보다 높은 체적 에너지 밀도를 전망하는 ‘차세대 셀’이다. 차세대 셀은 제1세대 셀 개발이 일단락되는 2020년부터 개발을 본격화하여 2022년까지 체적 에너지 밀도 800Wh/L을 실현한다는 계획이다. 실제 양산은 2030년 무렵으로 전망한다.

-- 재료에서 모험은 하지 않는다 --
NEDO는 2종류 셀의 구체적인 실현 전략도 어느 정도 분명히 제시하고 있다. 재료는 차세대 셀도 포함하여, 기대 성능은 높지만 실적은 아직 없는 Li-S(유황)와 같은 재료에는 의존하지 않고 기존의 EV용 액체 LIB의 전해질을 고체 재료로 바꿀 방침인 것 같다.

우선, 제1세대 셀은 제1기 셀과 같은 재료를 이용한다. 정극의 활물질은 3원계 정극 재료(NCM), 전해질은 유화물계 재료, 부극의 활물질은 카본 재료로 추정할 수 있다.  제1기 셀과의 차이는 활물질의 비율과 각 층의 두께다. 구체적으로는 정극과 부극의 활물질 비율을 높이고 동시에 고체전해질의 두께를 대폭 얇게 한다.

정극 활물질의 대부분은 전기 전도성이 낮기 때문에 그 비율을 높이면 전기 저항치가 커진다는 과제가 있다. 이 과제 해결이 제1세대 셀 실현에 있어서 중요한 포인트 중 하나다.

고체 전해질의 박막화에는 프로젝트에 참가하는 재료업체가 제공하는 세퍼레이터와 같은 ‘관통 다공 시트’를 이용한다. 그 다공 부분에 고체 전해질을 충전할 것으로 추측할 수 있다. 고체 전해질 층을 박막화할 수 있으면 ‘옴의 법칙’에 따라 이온 전도도를 높일 수 있다. 한편, 얇은 고체 전해질 층에서는 그곳을 관통하는 덴드라이트 등에 의해 정극과 부극이 쇼트될 가능성이 높아진다. 전고체배터리는 일반적으로 액체 LIB에서 이용하는 세퍼레이터는 불필요하지만 관통 다공 시트에게 덴드라이트 억제의 역할을 기대하고 있는 것 같다.

-- 고용량 부극의 채용으로 정극은 두껍게 --
-- 셀에서는 액체 LIB와 차이가 나지 않는다 --
-- 높은 내열성이 팩에서의 우위성 --

Part 3. 미국 벤처기업
고전도성 수지로 가온(加溫) 프리 / 금속Li 부극에서 1,200Wh/L

미국의 벤처기업이 개발하는 차세대배터리 기술 중에는 지금까지의 전고체배터리의 과제를 해결하는 고체 전해질이나 놀랄 정도로 높은 에너지 밀도를 실현, 게다가 양산에 근접한 셀이 있다. 일본을 포함하여 세계의 자동차기업이나 배터리기업의 출자가 이어지고 있다. 액체 전해질과 고체 전해질의 하이브리드 셀 등 유연한 발상이 기술 혁신으로 이어지고 있다.

2018년 2월에 세계의 자동차기업과 배터리기업으로부터 총 6,500만달러를 조달한 주목할 만한 미국의 벤처기업이 있다. Ionic Materials다. 아이오닉 머티리얼스가 개발한 고체 전해질용 드라이 폴리머가 지금까지의 폴리머에 대한 상식을 바꾸는 특성을 제시하기 때문이다.

드라이 폴리머는 양산이 쉽고 정극∙부극과의 계면 저항치가 낮기 때문에 전고체배터리용 전해질의 유력 후보로 자리잡고 있었다. 실용화 사례도 있다. 그러나 과제가 있었다. 실온에서의 이온 전도율이 낮다는 점과 가연 재료라는 점이다. 이온 전도율은 온도를 60~80℃로 높이면 배터리로 이용 가능한 수준까지 향상된다. 실제로 실용화 사례에서는 히터로 계속 가온(加溫)하여 이용한다. 가온에 일정 전력을 사용해야 하기 때문에 채용 업체는 한정적이었다.

한편, 아이오닉 머티리얼스가 개발한 드라이 폴리머는 실온에서도 1.3mS/cm로 액체 전해질 수준의 높은 이온 전도율을 나타낸다. 온도를 올리면 이온 전도율은 10mS/cm대에 가까워진다. 난연성이기 때문에 자르거나 구부리거나 총탄이 박혀도 발화하지 않는다. 지금까지의 과제가 거의 해소되었다. 가온 없는 EV용 전고체배터리를 실용화하는데 있어서 상당히 유망한 기술이라고 할 수 있다.

-- ‘절반 고체’로 높은 에너지 밀도 --
중량 에너지 밀도 450Wh/kg, 체적 에너지 밀도 1,200Wh/L로 상당히 높은 성능의 셀 ‘semi-solid lithium metal cell’을 2017년에 개발한 것이 MIT발 벤처기업인 SolidEnergy Systems다.

기술적인 포인트 중 하나는 정극과 부극에서 전해질을 나눈 것이다. 정극에는 기존의 3원계 재료(NCM)나 액체 전해액을 채용하는 한편, 부극에는 금속Li를 사용하여 그것을 피막(被膜)하듯이 고체 전해질 층을 형성하였다. 이를 통해 금속Li와 액체 전해질이 반응하여 배터리 열화가 진행되는 것을 방지한다. 고체 전해질은 산화물계 재료와 폴리머의 혼합물이다. 재료가 갖고 있는 과제를 서로 보완하여 좋은 점을 활용하는 것을 노린다.

정극과 부극 사이에는 다공질 세퍼레이터를 이용한다. NEDO가 전고체배터리에서 이용을 검토하고 있는 부재에 가깝다고 할 수 있다.

-- 가벼움을 활용하여 드론에 이용 --
그러나 현시점에서는 충방전 사이클 수명이 수백 회로, EV에 필요한 3,000~5,000회에 미치지는 못한다. 이 때문에 처음에는 드론이나 인공위성에 대한 탑재를 상정하여 ‘세계에서 가장 가벼운 축전지’(솔리드에너지 시스템즈)라는 것을 어필한다.

미국에서는 그 외에도 이온 전도성이 높은 유리로 금속Li 부극을 피막하는 기술을 개발 중인 미국 PolyPlus Battery나, 솔리드에너지 시스템즈와 같은 MIT발 벤처기업인 24M Technologies는 같은 ‘Semisolid’를 어필하면서도 기술은 전혀 다른 LIB를 개발한다. 발상의 다양성이 획기적인 축전지가 탄생하는 배경이 되고 있다.

-- 의문이 남는 QuantumScape --
이상한 것은 2018년 6월에 독일 폭스바겐이 약 110억엔을 출자한 미국의 콴텀스케이프다. 폭스바겐은 콴텀스케이프의 기술을 이용해 2025년까지 전고체배터리를 실용화한다고도 발표하였다.

콴텀스케이프의 주요 개발 기술 중 하나인 ‘All Electron Battery(AEB, 전전자배터리)’는 전고체판 전기 2중층 캐퍼시터의 일종이라고 할 수 있다. 단, (1)캐리어는 전부 전자로 유전체를 터널 효과로 투과한다, (2)높은 에너지 밀도는 전자와 정공(正孔)의 페어로 되어 있는 Exciton이 보즈-아인슈타인 응축(BEC)을 일으킴으로써 실현한다는 콴텀스케이프의 설명으로는 저가의 배터리 실현은 물론 실용적인 제품이 될 수 있을지 의문이 남는다. 예를 들면 BEC는 극저온에서만 일어나기 때문이다.

콴텀스케이프는 그 특성치는 커녕 AEB를 시작(試作)했는지 여부도 밝히지 않고 있다. 그러나 폭스바겐은 콴텀스케이프가 시작한 셀을 독일로 가져가 EV 주행을 상정한 동작 시험을 실시했다고 발표하였다.

실은 콴텀스케이프가 취득한 최근의 특허는 LLZ라는 가넷(garnet)형 산화물계 재료나 폴리머 재료를 전해질로 이용한 셀 제조 프로세스에 대한 것이 많다. 이미 AEB를 포기하고 현실 노선으로 전향했을 가능성도 있다.

  -- 끝 --