전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.8 특집 요약 (p46~61)

차세대 배터리 업계 지도
배터리 혁신 기술의 실용화 러시
액체계 LIB 용량 향상의 한계

배터리 업체와 자동차 업체 상당수는 조 단위의 자금을 투자해 기가 팩토리라고 불리는 대규모 리튬이온2차전지(LIB) 제조 공장을 건설하고 있다.

도요타자동차는 2030년까지 2조 엔, 독일의 폭스바겐 그룹(Volkswagen Group)은 203.8억 달러(약 2.85조엔). 또한 메르세데스-벤츠그룹(Mercedes-Benz Group)은 배터리에 대한 정확한 투자액은 밝히지 않고 있지만, 전기자동차(EV) 관련 전체에서 2026년까지 600억 유로(9조 엔)를 투자한다고 한다. 배터리 업체와 자동차 업체의 복잡한 합종연횡도 진행되고 있다.

이러한 가운데 셀 에너지 밀도에서 기존 LIB 기술을 크게 뛰어넘는 차세대 배터리의 실용화가 드디어 시작되었다. 또한 한 곳이 아닌 다수의 배터리 업체들이 서로 다른 기술로 잇따라 양산을 시작하고 있다. 아직 양산에 이르지 못한 배터리 업체에서도 자동차 업체의 사전 예약이 진행되고 있다.

-- 30년 이상의 ‘카이젠(개선)’에 한계 --
소니(당시 소니에너지테크)가 LIB를 세계 최초로 양산한 것은 1991년. 이후 32년간 LIB의 에너지 밀도는 단위 중량당 2배 이상, 단위 부피당 3배 이상이 되었다. 하지만, 전극과 전해액의 기본 구성은 크게 변하지 않은 채 반복적인 부분 변경만으로 여기까지 왔다고 할 수 있다. EV용으로 양산되고 있는 LIB셀의 중량 에너지 밀도는 최대 약 280Wh/kg. 1991년부터 ‘연간 성장률(CAGR)’은 약 2.2%였다.

그러나 더 이상의 성능 향상은 어려워지고 있다. 지금까지의 LIB 기술의 틀에서는 280Wh/kg가 안전성을 유지할 수 있는 한계로 여겨지고 있기 때문이다. 혼다 기술 연구소의 오쓰(大津) 사장은 2022년 1월, “액체계 리튬이온전지는 한계가 가까워지고 있다. 보다 에너지 밀도가 높은 혁신적인 배터리가 필요하다. 혼다는 자체적으로 혁신 배터리 개발을 진행하고 있다"고 말했다.

-- 정체를 깨고 반고체 배터리 속속 등장 --
무엇보다 최근 몇 년간 차세대 배터리의 실용화 움직임도 정체되어 있었다. 학회나 벤처기업 등의 혁신적인 기술들이 속속 발표되지만, 충∙방전 사이클 수명 등 중요한 정보가 은폐되어 실제로 실용화 수준에 이르지 못한 경우가 적지 않거나, 실험실에서는 잘 되었지만, 양산기술 개발에서 실패하는 경우가 많았다.

미국에서는  과대 광고로 상장한 차세대 배터리 벤처 기업이 다수 있지만, 현시점의 주가는 대부분이 피크시의 1/5~1/10으로 떨어졌다.

최근 이러한 정체가 드디어 끝을 보이기 시작했다. 중국의 CATL(宁德时代)이 올 4월에 발표한 중량에너지 밀도가 최대 500Wh/kg인 콘덴스드 배터리(Condensed Battery)가 상징적인 예이다. 이 외에도 다수의 배터리 제조사들이 동시 다발적으로 차세대 배터리의 실용화를 추진하고 있다.

-- 반고체 배터리가 ‘정답’이라는 인식 확산 --
이처럼 중국 업체들이 많이 채택하고 있는 반고체 배터리에 대해서 이전에는 전고체 배터리 실현까지의 중간 기술이라고 평가하는 케이스가 많았다. 하지만 최근에는 오히려 반고체 배터리가 정답이고, 전고체 배터리는 ‘교착상태에 있다’라는 논조가 늘고 있다.

미국의 상황도 다소 비슷하다. 당분간은 전고체화를 보류하고, 전해질에 액체를 남기면서 음극에만 금속 리튬 또는 고비율 실리콘을 사용하는 사례가 많다. 예를 들면, 미국의 SES Holdings는 2012년 설립 당초, 폴리머계 전해질과 금속 리튬 음극을 사용한 전고체 배터리를 개발해 회사명도 Solid Energy Systems이었다. 전고체를 포기하면서 약칭 SES를 사명으로 채택했다.

-- 전고체는 2026년 양산이 주류 --
하지만, 숫자는 적지만 EV용 전고체 배터리 업체들도 전고체 배터리 개발을 계속하고 있어 실용화도 조만간 시작될 전망이다. 에너지 밀도 측면에서는 거의 같은 전극 재료를 사용하는 반고체 배터리와 비교해 큰 차이가 없지만, 고온시의 안전성이나 높은 출력의 특성에서는 전고체 배터리가 앞서 있다.

샘플 출하를 올해 시작하는 제조사도 많다. 양산의 시작 시기는 중국 QingTao Energy Development(淸陶能源發展)의 2024년이 될 것으로 보인다. 그 다음이 전고체 배터리의 노포라고 할 수 있는 대만의 ProLogium Technology(輝能科技)와 미국의 Factorial Energy로, 2026년의 양산을 예정하고 있다.

ProLogium은 생산 능력이 48 GWh/년이라고 하는 대규모 공장을 프랑스에 건설 중이다. 양산하는 셀의 성능은 밝히지 않고 있지만, EV용 배터리팩의 부피에너지 밀도는 440~485Wh/L로, 기존 LIB 배터리팩의 약 2배로 높다.

한국의 삼성SDI도 이르면 2025년, 늦어도 2027년에는 전고체 배터리 양산을 시작할 계획이다. 삼성SDI의 전고체 배터리는 산화물계 고체 전해질을 이용해 MLCC(적층 세라믹 콘덴서) 기술을 활용한 것이다. 무라타제작소(村田製作所) 등이 전기 회로 기판용으로 개발한 칩형 배터리의 대형 버전이라고 할 수 있을 것이다.

-- 일본 기업은 3~7년 뒤처져 --
반면, 일본 기업들은 뒤처져 있다. 도요타자동차가 당초 발표한 대로 전고체 배터리를 2020년 상반기에 실용화했다면 현재 양산 라인 도입을 시작해야 할 시점이지만, 그럴 기미는 보이지 않고 있다.

오히려 도요타자동차용 전고체 배터리를 개발하던 프라임플래닛에너지 & 솔루션즈(PPES)는 기존의 LIB기술 노선을 그대로 유지한 채 성능을 개선한 선행 개발품을 2025년 전후에 내놓을 수 있을 것이라고 밝혔다. 전고체 배터리는 그 다음의 ‘선행 개발’이라고 평가해, 2021년 1월에 개발 부문을 도요타자동차에 되돌려 보냈다. 한 걸음 전진은커녕 몇 걸음 물러선 모양세다.

도요타자동차는 올 4월 7일, ‘새로운 체제 방침 설명회’에서 “배터리를 극한까지 효율적으로 사용해 항속 거리가 2배인, 자동차 회사가 만드는 지금과는 전혀 다른 차세대 배터리 EV를 2026년에 투입한다”(도요타자동차의 나카지마(中嶋) 부사장)라고 밝혔지만, 지금까지 도요타자동차의 몇 가지 개발 경위로 보아 이 차세대 배터리는 전고체 배터리가 아닐 가능성이 높다. 설사 전고체 배터리라고 하더라도 빨라야 2026년 이후가 될 것은 확실하다.

반면, 닛산과 혼다는 이전보다 전고체 배터리에 긍정적인 자세를 보이고 있다. 닛케이크로스텍의 추정으로는 닛산자동차의 전고체 배터리는 전고체 리튬황(Li-S) 배터리. 혼다도 전고체 리튬황 배터리 개발을 추진하고 있을 가능성이 높다. 단, 시장 투입 시기는 닛산이 2028년, 혼다가 2030년이 될 전망이다.

이들 배터리의 중량 에너지 밀도는 상술한 반고체 배터리를 상회하는 400Wh/kg에 달할 가능성이 있다. 하지만 EV의 시장이 급속히 확대되고 있는 가운데 반고체 배터리나 CATL의 콘덴스드 배터리 보다 3~7년 뒤처진다면 너무 늦어버리는 것은 아닌지 우려는 남는다.

-- 구미 기업은 수(數)로 리스크 관리 --
일본 자동차 업체에 대한 우려는 또 하나 있다. 차세대 배터리에 대해 자체 개발을 중시하는 경향이 강한 것이다. 도요타자동차는 상술한 바와 같이, 현시점에서 차세대 배터리 개발은 거의 자체 개발 노선만을 고집하고 있다.

닛산자동차도 오래 전부터 배터리를 조달하고 있는 엔비전 AESC를 제외하면 해외 배터리 벤처에 출자했다는 이야기는 나오지 않고 있다. 혼다는 Farasis Energy와의 거래 실적과 GS 유아사와의 제휴, 2022년 1월에는 SES와 금속 리튬음극배터리의 공동 개발 계약을 맺었다고 발표했지만, 그 수가 많다고는 할 수 없다.

한편, 미국이나 유럽의 자동차 회사는 가능한 한 많은 배터리 제조사에 넓고 얕게 출자, 또는 제휴해놓았다가 성공의 싹이 돋아난 곳을 재빠르게 포섭하는 전략을 가진 곳들이 많다.

예를 들면, Volkswagen Group은 공표하고 있는 것만으로 9개사, Mercedes-Benz Group이나 BMW Group은 각각 7개사, 유럽 Stellantis는 6개사, 미국의 Ford Motor와 General Motors(GM)도 5개사 이상의 배터리 제조사에 출자 또는 제휴하고 있다.

BMW Group은 올 1월, 미국 Solid Power의 전고체 배터리 기술에 근거하는 파일럿 생산 라인을 뮌헨 교외에 위치한 BMW의 차세대 배터리  공장 내에 구축했다.

-- 음극 프리 배터리가 유행 --
차세대 배터리 기술을 보는 축으로는 전고체인지, 반고체인지 등 전해질로 구별하는 축 외에도 전극 활물질로 구별하는 축도 있다. 구체적으로는, 음극이 금속 리튬인지, 고비율 실리콘인지, 그리고 양극이 유황계 양극인지, 망간(Mn) 산화물인지 등의 구별이다. 물론 이들은 배타적이 아니기 때문에 상당히 자유로운 조합이 가능하다.

예를 들면, 전고체에서 유황계 양극과 고비율 실리콘 음극의 조합도 있을 수 있다. 특히 미국에서는 조합을 변경할 가능성 때문에 핵심기술 이외의 재료, 예를 들어, 전해질 유형 등을 밝히지 않는 배터리 업체가 늘고 있다.

특히 미국의 벤처들은 차세대 배터리에 필요한 높은 에너지 밀도를 실현하는 데 있어 금속 리튬과 고비율 실리콘을 음극에 사용하는 것이 필수라는 인식을 가지고 있다.

그 중 금속 리튬 음극을 사용하는 제조사 사이에서 유행하고 있는 것이 음극 측의 전해질만을 고체재료로 하는 반고체전지 기술과 제조 시 금속 리튬을 취급하지 않아도 되는 ‘음극 프리’ 기술이다. 그 대표격이라고 할 수 있는 것이 미국의 QuantumScape와 Our Next Energy(ONE)이다.

-- 실리콘 음극을 액정 제조 장치로 형성 --
그렇지만 반응성이 너무 높은 금속 리튬은 피하고 싶어 하는 업체도 있다. 이러한 업체들은 고비율 실리콘 음극을 채택한다. 하지만, 고비율 실리콘 음극은 리튬 이온의 흡수에 따른 팽창율이 높고, 그 결과 충∙방전 사이클 수명이 짧다는 과제가 있었다. 최근 들어 이러한 과제에 독자적인 기술로 대응하는 기업들이 등장하고 있다.

예를 들면, 미국의 Amprius Technologies는 실리콘 나노 와이어라고 불리는 미세한 기둥 모양의 순수 실리콘을 음극에 형성함으로써 500Wh/kg, 1300Wh/L이라고 하는 매우 높은 에너지 밀도를 실현했다. 실리콘 나노 와이어 형성에는 네덜란드 반도체장치 제조업체 Meyer Burger의 CVD(화학기상증착법) 장치를 사용. 이미 샘플 출하 중이며 2025년 양산을 시작한다.

한때는 미국의 테슬라가 이 배터리를 채택한다는 소문도 있었지만, 테슬라의 머스크 CEO는 “실리콘 나노 와이어는 EV에 도입하기에는 비용이 너무 비싸다”라고 부정했다. Amplius가 배터리의 충∙방전 사이클 수명을 공표하지 않은 것도 이유 중 하나였을지도 모른다.

최근 화제가 되고 있는 미국의 GDI도 100% 실리콘을 음극에 사용한다. 음극 구조의 상세한 내용은 공개되지 않았지만, 실리콘 층 형성에 AGC의 유럽 법인 AGC Glass Europe의 PECVD(Plasma-Enhanced CVD) 장치를 사용하고 있다. 이를 통해 집전체(集電體)의 구리(Cu)박에 고속으로 실리콘을 성막. 충∙방전 사이클 수명은 600회 이상이라고 한다.

2024년 상반기에 소규모이지만 양산을 시작해 순차적으로 확대할 계획이다. 고가의 장치를 사용하는 만큼 큰 면적의 음극을 단번에 형성함으로써 비용을 절감한다는 전략이 치열한 경쟁 속에서 과연 얼마만큼 효과를 얻을 수 있을지 귀추가 주목된다.

-- 리튬 황 배터리의 재평가 조짐 --
또 하나, 최근 활성화되고 있는 배터리 기술은 양극에 유황계 재료, 음극에 금속 리튬 또는 고비율 실리콘을 이용하는 리튬 황 배터리이다. 이전에는 충∙방전 사이클 수명이 짧거나 가연성 유황을 양극에 사용하는 것을 우려해 EV 제조사들로부터 큰 지지를 받지 못했다.

예를 들면, 리튬 황 배터리 개발을 선도해온 영국의 Oxis Energy는 자금 사정이 어려워져 2021년 5월에 도산. 미국의 Sion Power도 2010년경에 그 이름대로 ‘황 이온의 힘’을 사용하는 리튬 황 배터리를 개발하고 있었지만, 현재의 제품에서는 유황계 양극을 봉인하고, 니켈계 양극을 채택하고 있다.

하지만, 최근 들어 상황은 달라졌다. 리튬 황 배터리를 개발하는 기업이 늘어나고 있고, 동시에 몇몇 EV 제조사들이 리튬 황 배터리에 관심을 갖기 시작했기 때문이다. 연구개발 차원에서 4,000회가 넘는 충∙방전 사이클도 보고되기 시작하는 등, 수명에 대한 우려가 낮아지고 있다는 것도 배경에 있는 것으로 보인다.

예를 들면, 닛산자동차가 개발하는 전고체 배터리는 닛산이 공개한 몇 가지 단편적인 정보로 판단하면 전고체 리튬 황 배터리일 가능성이 높다. 리튬 황 배터리는 에너지 밀도를 높이기 쉬울 뿐만 아니라, 니켈이나 코발트와 같은 고가의 금속을 사용하지 않아 제조 비용을 절감할 수 있다는 점에서도 매력적이다. 앞서 언급한 대로 닛산은 이 차세대 배터리를 2028년에 양산할 계획이다.

혼다도 전고체 리튬 황 배터리 개발을 검토하고 있을 가능성이 있다. 혼다는 리튬 황 배터리를 개발중인 GS 유아사와 제휴하고 있으며, 음극에 대해 금속 리튬 음극 기술을 가진 SES와 공동 연구를 하고 있기 때문이다.

-- 그래핀이 숨은 주역으로 --
최근의 실리콘 음극과 유황계 양극, 니켈 리스에서 망간 주체의 전극, 더 나아가 LMFP(인산∙망간∙철∙리튬)에 이르기까지 그 성능 향상에 기여하고 있는 중요한 도전 조제(導電 助劑)가 있다. 탄소 원자가 그물 모양으로 연결된 시트 모양의 재료, 그래핀이다.

예를 들면, 고비율 실리콘 음극 배터리를 개발하는 미국의 NanoGraf는 음극으로의 그래핀 첨가가 열쇠가 되었다고 한다.

또한, 리튬 황 배터리를 개발하고 있는 미국의 Lyten은 유황계 양극으로 폴리에틸렌에 독자적으로 개발한 ‘3D Graphene’을 첨가한 재료에 유황을 포함시켜 리튬 황 배터리의 충∙방전 사이클 수명을 늘렸다고 한다.

ADEKA도 2022년 11월, 배터리 토론회 등에서 두께가 10n~40nm인 'Thick Graphene'을 리튬 황 배터리의 양극에 첨가함으로써 충∙방전 사이클 수명 등을 크게 향상시켰다고 발표. 최근에는 리튬 황 배터리 외 양극에서도 Thick Graphene의 효능을 확인했다고 밝혔다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Electronics] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.