산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2023.12(p13~16)

도요타, 전고체배터리의 양산화 계획
이데미쓰고산과 협업, 사토 사장이 말하는 전략과 성능

전기자동차(EV)에서 뒤처지고 있다는 오명을 벗기 위해 도요타자동차가 해결책을 강구했다. 2023년 10월 12일, EV용 전고체배터리의 양산화를 위해 이데미쓰고산(出光興産)과 협업하겠다고 발표한 것이다. 양사는 고체전해질 양산기술 개발과 생산성 향상, 공급망 구축을 위해 협업. 이를 통해 2027~2028년에 전고체배터리를 탑재한 EV의 시장 투입을 확실하게 추진해나갈 방침이다.

구체적으로는, 양 사가 태스크 포스를 결성해 연간 최대 수백 톤 규모의 황화물계 고체전해질을 생산하는 파일럿 플랜트를 이즈미쓰고산의 지바(千葉)사업소 내에 마련해 2027~2028년을 목표로 양산기술을 실증. 동시에 재료의 안정적 조달 스킴 구축을 목표로 한다.

발표 기자회견에 임한 도요타자동차의 사토(佐藤) 사장은 전고체배터리가 미국의 테슬라나 중국 비야디(BYD)의 EV를 역전할 수 있는 결정타가 될 수 있을 것인가라는 질문에 “전고체배터리의 수요는 다양한 상품력을 구축해 나가는 데 있어 매우 중요한 요소라고 생각한다.

그러나 고객이 요구하는 자동차의 매력이 종합적으로 어떤 것인지가 최종적인 상품력을 결정하는 데 가장 중요한 요소일 것이다. 배터리만으로 그것이 결정되는 것은 아니다. 항속거리나 충전 성능뿐만 아니라, EV로서 제공하는 부가가치를 어떻게 만들어 나갈 것인가가 중요하다”고 답했다.

-- 전고체배터리로 어떤 EV가 만들어질까? --
전고체배터리는 이온 전도도가 높기 때문에 충전 시간이 짧고, 항속 거리가 길며, 고출력이라는 등의 이점이 있다. 그렇다면 이러한 이점들을 활용하면 어떤 매력적인 자동차가 만들어지는 것일까? 이 질문에 대해 사토 사장은 “자동차에 몇 가지 큰 패러다임 변화(극적 변화)가 일어날 것이다.

하나는 (항속 거리가 늘어난다고 하는) EV로서의 기본적인 소질 향상이다. 예를 들어 공력(空力)에 철저하게 의존하는 자동차 개발에서 조금 자유로워져 매력적인 디자인을 만들거나, 캐빈 공간을 크게 할 수 있다. 이러한 자유도가 높아지는 것은 자동차 제조사에게 이점이 된다”라는 견해를 밝혔다.

“또한 패키지의 자유도도 높아진다. 따라서 전고체배터리를 사용하는 자동차는 늘어날 것이다. 충전시간이 긴 상용차 용도로도 (사용할 수 있는) 가능성이 나온다. 폭넓은 영역에서 모빌리티의 변화를 일으킬 것이다”(사토 사장).

하지만, 그는 전고체배터리가 EV의 경쟁력 전부를 좌우하는 것은 아니라는 견해는 여전히 고수했다. “어떻게 자동차로서의 매력을 높여 갈 것인가라고 하는 노력을 지속해나갈 필요가 있다. 어떤 의미에서 큰 변화로 이어질 수 있는 기술을 포착해, 그 장점을 활용하는 자동차 개발을 추진해나가고 싶다”(사토 사장).

-- 브레이크스루(돌파구)란? --
현시점에서 미래에 전고체배터리가 어느 정도까지 보급될지에 대해서는 아직 불투명하지만, 사토 사장은 “2027년부터 2028년 중반 정도까지 어떻게든 세상에 선보일 수 있도록 페이스를 올려 나가고 싶다. 배터리 생산기술은 채산성 베이스에서 양적 규모를 실현하기 전(前) 단계가 매우 중요하다. 첫 단계는 세상에 선보이는 것. 그 후에 양산화를 목표로 한다. 즉, 규모의 확대를 추진해 나가기 위한 (세컨드) 스텝에 들어가겠다”고 말했다.

평소 발언에 신중한 도요타자동차가 목표로 하는 실용화 시기를 분명히 밝힌 점에서 시장 투입에는 상당히 자신감을 갖고 있는 것으로 보인다. 그 배경에는 기술적인 브레이크스루가 있다.

“(전고체배터리에는) 전해질이 고체이기 때문에 균열이 생기기 쉽다는 과제가 있다. 이를 막으려면 양극과 세퍼레이터, 음극, 각 활물질 간에 균열이 생기지 않도록 할 필요가 있다. 같은 균열이라도 성질이나 원인이 다르기 때문에 대응 요소는 3가지이다.

딱 맞게 붙이는 것, 고체전해질을 끈기가 있도록 하는 것, 팽창 및 수축에 대응할 수 있도록 하는 것 등 3가지를 실현하는 기술이 브레이크스루가 된다”(도요타 CN선행개발센터의 가이타(海田) 센터장).

현재, 이러한 기술의 기본적인 목표 달성이 어느 정도 보이고 있어, 그것이 실용화의 시기를 전망하는 근거가 되고 있는 것 같다.

또한 사토 사장은 “특히 내구성이 중요하다고 생각한다. 이데미쓰고산의 고체전해질은 끈기가 있다. 즉, 부드러운 조성으로 생성할 수 있다. 이것이 굉장히 큰 포인트다. 유연성이 높은 고체전해질은 기존과는 변형 억제 방법이 달라진다.

배터리팩까지 시야에 넣으면 틀림없이 그 형태도 달라질 것이다. 이것이 브레이크스루 기술이라고 생각한다. 이것은 재료 개발부터 배터리의 제품화까지를 양 사가 일원적으로 추진하기 때문에 가능하다”라고 말했다.

-- 코스트는 어디까지 내려갈 수 있을 것인가? --
전고체배터리의 실용화 및 양산화에 있어서 최대 장벽이 되는 것이 코스트이다. 어디까지 코스트를 낮출 수 있을까?

“코스트는 당연히 생산량과 관련이 있다. 보급을 목표로 하려면 그에 상응하는 규모를 생산해야 한다. 1단계의 당면 과제는 세상에 선보이는 것에 중점을 둔 개발. 그 중에서도 규모가 증가했을 때의 생산에 관한 키포인트를 구현하면서, 2030년 이후의 양산 및 사업화에 대응해 나갈 방침이다”(사토 사장)라고 한다.

또한 “원리 원칙을 고려하면, 액체계 배터리의 구조체와 요소로서는 그다지 크게 다르지 않다. 따라서, 양산이나 보급 단계에서는 액체계 배터리와 동등한 관점에서 개발을 진행시켜 나가야 한다고 생각하고 있다. 최종적인 상품(EV)으로 제공하는데 있어서는 액체계 배터리와 같은 수준의 차량 가격을 목표로 하고 있다”(사토 사장).

액체계 배터리의 가능성이 사라지는 것은 아니다. 도요타자동차는 오히려 두 배터리 간 코스트 절감 경쟁이 벌어질 것으로 보고 있다. “액체계 배터리도 아직 가격이 비싸다.

따라서 지금은 전고체배터리의 실용화에 도전하고 있지만, 전고체배터리가 세상에 나온 후에도 액체계 배터리의 (생산) 프로세스와 코스트를 계속 개선해 나가야 할 것이다. 코스트 관점에서는 계속 진화하고 있는 액체계 배터리와 전고체배터리 간의 경쟁이 될 것이라고 생각하고 있다”(가이다 센터장).

-- 내수성, 전도성, 부드러움을 실현하는 구조법 --
도요타자동차가 이데미쓰고산과의 협업을 결정한 것은 이즈미쓰고산이 가진 재료에 관한 기술력의 높이를 평가했기 때문이다.

사토 사장은 “자동차 제조사의 입장에서 보면, 이즈미쓰고산의 고체전해질의 강점은 수성, 이온 전도성, 부드러움이라는 3가지를 실현할 수 있는 구조로 되어 있다는 점에 있다. 재료의 조성과 무엇을 얼마나 배합해야 고체전해질로서 유효한 재료인지 등, 재료 성분에 관한 기술력이 있다”라고 평가한다.

“(그뿐만 아니라) 균일하게 입자를 정렬할 수 있어 밀착성이 높고, 형상 변화에 대응하기 쉽도록 부드럽게 조성되어 있다. 또한 물에 강한 구조를 어떻게 하면 실현할 수 있을 것인지 등은 단지 재료의 조성만으로는 해결할 수 없는 고체전해질의 경쟁력의 원천이 되고 있다. 이데미쓰고산은 바로 이 3가지 요소에 관한 레시피를 가지고 있다는 것이 강점이다”(사토 사장)라고 한다.

또한 “도요타자동차가 쉽게 배터리를 만들 수 있고, 동시에 높은 성능을 실현할 수 있는 방법을 이데미쓰고산은 이해하고 있다. 이러한 지적 재산 외 다른 분야에서도 양 사 간에는 10년의 연결고리가 있다”(가이다 센터장).

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