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Nikkei X-TECH_2021.3.18

닛산ㆍ폭스바겐도 전고체배터리 탑재 EV 개발
2020년대 후반에 투입 계획, 도요타를 맹추격

전고체배터리를 탑재한 전기자동차(EV) 개발이 뜨거워지고 있다. 닛산자동차는 닛케이크로스테크(Nikkei X-TECH)/닛케이오토모티브(Nikkei Automotive)의 취재에서 2020년대 후반에 실용화한다는 의향을 밝혔다. 독일의 폭스바겐도 3월 15일에 열린 설명회에서 전고체배터리 EV를 시장에 투입한다는 방침을 표명했다.

자동차회사 가운데 전고체배터리 EV 개발에서 선행하고 있는 도요타자동차는 2020년대 전반에 발매하는 차량에 전고체배터리를 탑재하겠다고 발표했다. 도요타보다도 먼저 실용화를 노리고 있는 중국의 EV 제조사 NIO(上海蔚來汽车)는 2022년 양산을 목표로 하고 있다고 한다. 도요타와 NIO의 뒤를 쫓기 위해 닛산과 폭스바겐은 개발에 박차를 가하고 있다.

-- 중국 NIO가 발표한 충격의 차량용 고체배터리, 제조사는 과연 그곳일까? --
“2027~2028년에는 전고체배터리가 탑재된 EV를 실용화할 수 있도록 사내에서 기술 로드맵을 만들고 있다”(닛산에서 파워트레인 개발을 이끌고 있는 히라이(平井) 전무). 탄소 중립 실현의 주축이 될 EV를 보급시키는데 있어 “전고체배터리를 최대한 빨리 실용화해 EV가 커버할 수 있는 자동차의 영역을 넓혀 나가는 것이 중요하다”(히라이 전무)라고 설명한다.

닛산은 당분간 EV와 자사의 독자적 시리즈 하이브리드 기술 ‘e-POWER’를 양 축으로 전동화를 추진할 방침이다. 닛산이 ‘궁극’이라고 칭하는 EV만으로 승부를 걸지 않는 것은 “배터리의 과제를 극복하지 않으면 안되기 때문이다”(히라이 전무)라고 한다.

-- 닛산의 전동화 전략, 2030년에 EV와 HEV를 ’균형적으로’, FCV와 PHEV는 보좌 역할 --
전해질이 액체 상태인 현행의 리튬이온배터리는 에너지 밀도 향상에 한계가 보이기 시작하고 있으며 배터리 가격은 EV 보급의 기준으로 알려져 있는 100달러/kWh에서 크게 벗어나 있다. 고가의 배터리를 대량으로 사용할 수 없는 상황에서는 적은 용량의 배터리로도 가능한 e-POWER를 보급 가격대의 차량으로 설정하는 것이 이산화탄소 배출량 절감에도 효과적이다.

현재의 리튬이온배터리의 에너지 밀도에서는 대형 EV의 항속거리를 충분하게 확보하기 어렵다는 측면이 있다. 배터리를 대량으로 탑재할 경우, 항속거리는 길어질 수 있지만 차량 가격에 큰 영향을 미친다.

-- 전고체배터리로 500Wh/kg 달성을 목표로 --
이러한 과제를 해결할 가능성을 가지고 있는 것이 전고체배터리라고 한다. 히라이 전무는 “전고체배터리라면 500Wh/kg 달성이 가능하다”라고 전망한다.

액체 전해질 리튬이온배터리 셀의 질량 에너지 밀도가 300Wh/k 이상이 되는 것은 매우 어렵다. 니켈(Ni) 비율을 높인 ‘하이니켈(High-Ni) 정극’과 이론 용량 밀도가 높은 실리콘(Si)을 사용한 ‘Si 부극’ 등의 기술을 결합할 경우에는 가능하지만, 안전성 및 내구성을 확보하기 위한 대책이 많이 필요하다는 단점이 있다.

전고체배터리는 누수나 휘발 등 발화의 원인이 되는 전해액을 고체로 했기 때문에 안전성을 높이기 쉽다. 또한 냉각기 등 주변 부품을 간소화할 수 있으며 배터리 팩의 저비용화, 탑재 공간 증가로 인한 배터리 탑재 개수 확대도 가능해진다.

닛산은 전고체배터리의 실용화를 위해 “재료 기술뿐만 아니라 제조 기술을 포함해 적극적으로 개발을 추진해나갈 방침이다”(히라이 전무). 이에 대한 상세한 내용은 공개하지 않았지만 “파트너와 함께 추진해나가겠다”(히라이 전무)라고 밝혔다. 목표로 하는 가격은 배터리 셀로서 100달러/kWh이하로 설정했다.

EV로의 전환을 확실 시 하는 폭스바겐도 전고체배터리에 큰 기대를 걸고 있다. 폭스바겐 그룹에서 배터리 개발을 주도하고 있는 블롬 씨(Head of Battery Cell and System, Volkswagen Group Components)는 “전고체배터리는 리튬이온배터리의 최종적인 형태”로 자리매김하고 있다. 전고체배터리를 탑재함으로써 현재의 액체 전해질 배터리를 탑재한 EV에 비해 “항속거리를 30% 늘릴 수 있다”(블롬 씨)라고 한다.

항속거리 이상으로 폭스바겐이 전고체배터리의 특성으로 기대하고 있는 것이 급속 충전과의 상성이 좋다는 것이다. 블롬 씨는 “현행의 EV에서는 충전에 25분 정도 걸리지만, 전고체배터리를 탑재한 EV의 경우 그 절반인 12분이면 된다”라고 설명한다.

폭스바겐이 전고체배터리 EV 투입 시기로 전망하고 있는 것은 2025년 이후로, 닛산과 거의 같다. 실용화를 위해 미국의 전고체배터리 개발 벤처기업인 퀀텀스케이프(QuantumScape)와 공동전선을 펼칠 계획이다.

폭스바겐은 퀀텀스케이프와 2012년부터 협력하고 있으며, 총 3억달러 이상을 출자해 최대주주가 되었다. 퀀텀스케이프가 개발한 전고체배터리의 실온에서의 질량 에너지 밀도는 300 이상~400 이상 Wh/kg, 체적 에너지 밀도는 1,000Wh/L전후를 실현했다고 한다.

-- 놀라운 성능을 보인 미국의 퀀텀스페이스의 전고체배터리 --
폭스바겐은 전고체배터리의 실용화와 병행해 액체 전해질 리튬이온배터리의 저비용화도 추진한다. 2030년까지 현행 대비 50%의 가격 인하를 목표로 내걸고 있다. 전고체배터리가 양산 EV에 널리 사용될 수 있으려면 압도적인 에너지 밀도, 또는 시스템으로서의 비용 우위성을 가질 필요가 있다고 한다.

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