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‘전고체 배터리’, 일본 제조사 연합으로 개발
EV의 안전성·항속 거리 향상

자동차가 엔진 자동차에서 전기 자동차(EV)로 변화하는 시대가 다가오고 있으나, EV화에는 기술적으로 넘지 않으면 안 되는 장벽이 있다. 그 중 하나가 배터리다. 현재의 배터리는 항속 거리 및 충전 성능, 안전성 등에 과제를 안고 있다. 과제를 해결하는 차세대 배터리로서 주목을 모으고 있는 것이 ‘전고체 배터리’이다. 일본은 자동차 산업의 우위성 확보를 위해 민관이 협력해 실용화에 나서고 있다.

전고체 배터리는 리튬이온전지의 일종으로, 리튬이온이 이동하는 통로를 기존 배터리의 전해액 대신에 고체 전해질을 사용하고 있다. 기존 배터리는 전해질에 유기용제 계통의 재료를 사용해 발화될 가능성이 있기 때문에 안전성의 과제를 안고 있다.

전고체 배터리는 가연성 전해액을 사용하지 않아 안전성이 높다. 세퍼레이터로 불리는 부재가 필요 없으며 부재 수를 줄여 제조비용을 낮출 수 있다. 충·방전의 과정에서 이온이 흘러나오는 리튬이온전지의 과제를, 액체를 사용하지 않음으로써 극복해 수명을 늘릴 수 있게 되었다.

-- 급속 충전도 필요 --
EV가 엔진 자동차를 대신하기 위해서는 배터리 성능을 비약적으로 높일 필요가 있다. 먼저, EV의 결점인 항속 거리를 늘리기 위해 ‘에너지 밀도’를 높일 필요가 있다. 에너지 밀도와는 다른 성능을 나타내는 ‘입출력 밀도’의 성능 개선도 필요하다. 입출력 밀도는 충전 시간과 관계가 있다. 입출력 밀도를 높여 수 분만에 충전을 끝내는 ‘초급속 충전’이 EV보급에 불가결하다고 보는 전문가도 많다. 전고체 배터리는 이론상, 기존의 리튬이온전지의 성능을 상회한다.

일본 정부는 도요타자동차 등 기업의 전고체 배터리 개발활동을 전면적으로 지원하고 있다. 2018년 여름에 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)는 전고체 배터리를 개발하는 프로젝트를 시작했다. 2018년~2022년도까지의 5년 동안 100억엔을 투자한다고 한다.

NEDO는 종래에도 전고체 배터리 연구를 소재 제조사 등과 시행해 왔으나, 도요타 및 닛산(日産)자동차, 혼다(本田)기술연구소 등의 자동차 제조사와 파나소닉, GS유아사와 같은 배터리 제조사가 합세해 ‘올 재팬(All Japan)’으로 개발에 나서고 있다.

정부가 전고체 배터리에 열의와 노력을 기울이고 있는 것은 일본 산업 전체의 흥망이 좌우될 수 있기 때문이다. 기존의 차재용 리튬이온전지는 일본 기업이 우위에 있었으나, 현재로서는 중국 기업에게 밀려있다. EV가 엔진 자동차를 앞지를 정도로 보급되고 있지 않아 영향은 아직 작지만 세계적인 환경 규제를 배경으로 EV 보급이 추진된다면 일본 자동차의 지위는 위태로워질 것이다.

중국은 2019년부터 자동차 제조사에 대해 일정 비율의 EV 등의 생산을 의무화하는 ‘신에너지차(NEV) 규제’를 설치했다.

NEDO에 따르면 2002년부터 2014년까지의 전고체 배터리에 관련된 특허 출원 건수 중 일본이 54%를 차지하고 있다고 한다. 그러나 유럽 및 미국, 한국과 중국 등은 국가 차원에서 전고체 배터리의 연구를 추진하고 있어 현재의 우위성이 향후에도 이어질 지는 불투명하다.

후지(富士)경제에 따르면 전고체 배터리의 세계 시장규모는 2017년 단계에서 21억엔. 이것이 2035년에는 2조 7,877억엔으로 확대될 것으로 예측하고 있다. 현재에도 고분자계 전고체 배터리는 일본에서 실용화되고 있으나, 여러 가지 과제로 인해 보급에는 이르지 못하고 있다.

-- 소형으로는 실용화 --
폭넓은 전고체 배터리의 실용화로 항속 거리 및 급속 충전 등 배터리의 과제가 극복된다면, 단숨에 EV의 시장이 활짝 열릴 가능성이 있다. 국제 에너지 기관(IEA)는 승용차 판매 대수에서 차지하는 동력원 별 예측 시나리오를 공표하고 있다. EV와 플러그인 하이브리드차(PHV)의 점유율은 2030년에 19%, 2040년에는 35%에 달할 전망이다.

실은 초소형 전고체 배터리는 이미 실용화되고 있다. 전자기판에 사용하는 것으로 TDK, 후지쓰(富士通) 계열인 FDK 등이 샘플 출하를 시작하고 있다. 모든 사물이 인터넷으로 연결되는 ‘IoT’기기 및 웨어러블 단말기 등으로의 탑재가 상정된다. TDK 및 FDK가 취급하는 전고체 배터리는 세라믹 재료를 사용하는 ‘산화물계’이다. 이 산화물계의 전고체 배터리는 EV로의 채택이 당분간 우선 시 될 전망이다.

2018년에 시작된 ‘올 재팬’의 차재용 전고체 배터리 연구는 ‘황화물계’를 당초 재료에 이용하고 있다. 그러나 황화물계는 공기에 닿으면 가스가 생성된다는 문제가 있다. 세라믹 재료를 사용하는 산화물계는 보다 안전성이 높다고 한다. 아직 산화물계는 차재용으로서의 성능이 충분하지 못하지만, 기술적인 돌파구를 찾는다면 차재용에서도 가장 유력한 전고체 배터리로 부상하게 될 전망이다.

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