일본산업뉴스요약

EV 배터리, 차세대의 다음까지 내다본다
삼성전자 ‘리튬 공기 배터리’ 기술 개발

삼성전자는 현행제품의 2세대 앞선 차차세대의 전기자동차(EV)용 충전 배터리를 개발한다. 1회의 풀 충전으로 주행 가능한 거리를 현재 EV에 사용되고 있는 리튬이온전지의 2배 가까운 용량으로 늘려, 차세대 제품 개발에서 앞서고 있는 도요타자동차에 대항해나간다. 각국의 정부 당국과 자동차 제조사들의 EV 전환을 배경으로 핵심부품인 배터리를 둘러싼 개발 경쟁은 뜨거워질 전망이다.

-- 항속 거리 2배로 향상 --
삼성전자는 전자업계에서 궁극의 충전 배터리로 불리는 ‘리튬 공기 배터리’를 개발한다. 중앙 연구소에 해당하는 삼성종합기술원에서 배터리 1kg당 축전 용량이 520와트시(Wh)의 시작품을 제작했다. 도요타가 2020년대 전반의 실용화를 목표로 하는 ‘전고체전지’의 다음 세대의 세계 표준을 목표로 한다.

대표적인 EV인 닛산자동차의 신형 ‘리프(Leaf)’는 풀 충전 시 주행가능 거리가 400km. 삼성의 리튬 공기 배터리 시작품을 자동차용으로 제조한다면 이론 상 700km 이상이 된다. 주요 부품의 절연막(세퍼레이터)의 두께를 20마이크로미터(μm)로 만들어 기존의 10% 이하로 개선했다. 절연막 두께가 얇아짐으로써 전지셀의 사용량을 늘리는데 필요한 축전 용량이 높아졌다.

-- 실용화의 과제 --
2030년까지의 실용화를 목표로 하고 있지만, 그 길은 쉽지 않다. 이번 시작품에서는 충∙방전을 20번 반복한 결과, 성능이 큰 폭으로 하락했다. 수 천 회 반복해야 하는 EV에 요구되는 충∙방전의 기준에 못 미친다. 또한 1회 풀 충전에 수 시간 소요되는 문제도 남아있다. 주요 부재인 정극과 부극 재료 및 모양을 개선해 배터리 수명과 편리함을 향상시킬 수 있을지 여부가 관건이다.

삼성그룹에서는 전자 계열사인 삼성 SDI가 자동차용 리튬이온전지 사업을 확대하고 있다. 도요타가 실용화를 목표로 삼고 차세대 제품으로 유력시되고 있는 전고체전지에 대해서도 연구 개발을 지속하고 있는 한편, 그 다음 세대를 내다본 리튬 공기 전지의 실용화에서 앞서나가려는 계획이다.

세계적으로 급속하게 보급되기 시작하고 있는 EV의 동력원은 리튬이온전지가 현재 주류이다. 도요타가 하이브리드자동차(HV)에 이전부터 시용해온 니켈수소전지 등과 비교해 용량을 크게 만들 수 있다. 일본 제조사들이 개발에서 앞서있었지만, 그 기술이 아시아에 보급되면서, 파나소닉, 삼성 SDI와 LG화학과 함께 중국 기업들이 세계 시장에서 경쟁하고 있다.

통상적인 리튬이온전지는 이온을 전달하는 전해질에 액체 재료를 사용한다. 이것을 고체화한 배터리가 전고체전지이다. 정극과 부극 사이에 있는 고체 전해질이 이온을 전달한다. 전해질이 쉽게 열화 되지 않기 때문에 수명이 길고, 내용물이 새거나 발화 등의 위험이 적다. 충전 시간의 단축 및 대용량화를 기대할 수 있다.

도요타는 전고체전지 개발에 이미 200명의 기술자를 확보해 운영하고 있다. 레로이 부사장은 “시작품은 이미 완성했고, 다음은 양산을 위한 준비 단계이다. 이 기술은 향후 ‘게임 체인저’가 될 것이다”라고 말한다.

도요타와 삼성뿐만 아니라 많은 업종의 대기업들이 전고체전지에 대한 연구를 추진하고 있다. 자동차부품업체인 독일의 보쉬는 전고체전지를 개발하는 미국 Seeo를 인수. 애플도 2016년에 관련 기술자 공모를 시작했다. 오사카부립대학의 다쓰미(辰巳) 교수는 자동차용 전고체전지의 실용화 시기를 2023년경으로 전망하고 있다.

-- 비용 절감을 기대 --
한편, 리튬 공기 전지는 정극의 촉매를 통해 공기 중의 산소를 흡수. 그것과 부극의 리튬이 화학 반응을 일으켜 전기가 발생된다. 이론적으로는 기존 배터리보다 높은 에너지 용량을 실현할 수 있다. 필요한 재료가 줄어들기 때문에 소형∙경량화와 비용 절감을 기대할 수 있다. 삼성 외에도 일본의 물류∙재료연구기구와 도후쿠(東北)대학, 도요타 등이 연구 개발을 추진하고 있다.

자동차의 파워트레인에 대해 반년 전까지 가솔린 엔진이 중장기적 주류가 될 것으로 전망되었다. 그러나 영국과 프랑스, 중국 정부가 향후 가솔린차의 판매 금지 검토를 표명함으로써 자동차업계를 둘러싼 환경이 변하기 시작하고 있다. 배터리를 이용한 구동 모터 자동차의 비율이 서서히 높아지고 있는 것은 확실하다.

배터리 시장도 급속히 확대되고 있다. 시장 조사 기관, 후지경제에 따르면, 2016년에 1조 4천억이던 EV 등 친환경자동차용 세계 배터리 시장은 2025년에 6조 6천억이 될 전망이다. 소재 등 관련 산업으로의 파급 효과도 크다.

각국 정부의 움직임에 대응하기 위해 독일 폭스바겐을 필두로 제너럴 모터스(GM), 닛산자동차 등 세계적인 자동차 제조사들이 연이어 EV전략을 밝히고 있다. 급격한 EV 전환은 완만한 추세로 추진되어온 리튬이온전지의 기술 혁신을 가속화할 뿐만 아니라, 그 다음 세대 배터리에 대한 연구 개발을 촉진하고 있다.

▶ 차세대 EV용 배터리 개발이 시작되고 있다

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