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Nikkei X-TECH_2022.3.28

전고체 배터리의 양산, 2028년 전망
닛산은 황(S)계 검토, 도요타는 폴리머계 전환도 고려

전기자동차(EV)용 전고체 배터리의 조기 양산은 어렵다는 견해가 강해지고 있지만 전고체 배터리가 실현될 수 없는 ‘꿈의 배터리’는 아니다. 자동차 업체들은 양산 시기로 2028년 전후를 전망하기 시작했다. 지금까지의 전망에서 늦어진다. 게다가 초기에는 소량 생산이므로 본격적인 양산은 2030년 이후일 것이다. 그럼에도 ‘느린 게임 체인지’를 일으킬 수 있는 가능성은 충분히 있다.

EV에 대한 전고체 배터리의 응용이 주목을 받게 된 계기는, 도쿄공업대학의 간노(菅野) 교수가 11년에 리튬이온 전도도가 높은 황화물(Sulfide)계 고체 전해질을 발견한 것이다. 그 간노 교수는 30년 이후의 본격 양산이라는 최근 전망에 대해 “당초 상정했었던 시간축”이라고 말하며, 지금까지의 기대가 너무 높았다고 본다.

간노 교수는 EV용 전고체 배터리의 양산화에 대해 “큰 문제가 남는 것은 아니다. 작은 과제를 하나 하나 착실하게 해결하고 있는 단계라고 본다. 따라서 그리 멀지 않은 장래에 실용화할 수 있다”라고 전망한다. 액체계 리튬이온 배터리의 경우는 많은 연구자가 조금씩 개선한 결과, 산적해 있던 과제가 어느새 해결되었다. 전고체 배터리도 마찬가지인 셈이다.

예를 들면 황화물계 고체 전해질을 사용한 전고체 배터리의 경우는 전극과 고체 전해질과의 밀착이나 고체 전해질의 내수성을 높이는 것이 다년간의 과제라고 할 수 있다.

밀착성이 낮으면 배터리를 충∙방전시켰을 때 음극이 수축∙팽창하면서 서서히 전해질과의 사이에 틈이 생겨버린다. 또한 황화물계는 물과 반응하면 유독한 황화수소가스가 발생할 수 있다. 제조공정에서 수분을 완전히 억제하기 위해서는 많은 비용이 필요하다.

간노 교수는 밀착성의 향상을 위해서는 재료의 개량이라는 본질적인 해결을 목표로 한 연구가 진행되는 한편으로 큰 압력을 가해 전극과 고체 전해질을 구속하는 ‘공학적’인 해결법도 유력하다고 본다. 내수성 향상에 대한 연구는 떠오르는 분야다. 주석(Sn)이나 실리콘(Si)을 첨가하는 연구 등을 들 수 있으며, 착실하게 진화하고 있다고 한다.

-- 도요타, 닛산, 혼다의 전고체 배터리 방침은? --
닛산자동차는 최근에 30년 이후의 ‘게임 체인지’를 목표로 전고체 배터리를 적극적으로 개발하고 있다. 21년 11월에 자사 개발한 전고체 배터리를 탑재한 EV를 28년까지 양산한다고 발표했다.

닛산은 전고체 배터리 양산을 통해 배터리 비용을 1kWh당 75달러로 낮추는 것을 목표하고 있다. 닛산자동차의 우치다(内田) 사장은 “장기적으로는 65달러까지 낮춤으로써 EV와 가솔린차의 비용을 동등한 수준으로 만들 생각이다”라고 말한다.

닛산자동차는 전고체 배터리의 상세 내용을 공개하지 않았다. 그러나 닛산의 한 간부는 “현재 주류인 3원계 양극재(주성분이 니켈, 망간, 코발트)는 사용하지 않는다”라고 설명한다. 기존의 연장선 상에는 없는 새로운 재료를 유력한 재료로 삼고 있는 것 같다. 최근의 특허를 보면 고체 전해질은 황화물계로 일반적이지만 양극재에는 3원계가 아닌 황(S)계의 채용을 검토하고 있다.

황(S)계는 최근에 음극에 리튬(Li) 금속을 이용한 리튬황(Li-S) 배터리가 주목을 받고 있다. 황은 자원량도 풍부하고 싸기 때문에 리튬이온 배터리의 후계가 될 것이라는 견해가 있다. EV용 배터리에서는 자원을 둘러싼 쟁탈전이 벌어지기 시작했다. 때문에 황(S)계의 개발에 성공하면 자원 획득 경쟁에서 우위에 설 가능성이 있다.

닛산은 24년까지 요코하마 공장 내에 전고체 배터리의 시작(試作) 라인을 도입한다. 현시점에서 재료 조성은 정해지지 않았다. 몇 개의 후보 라인을 다수 만들어 양산성을 검토할 생각이다.

한편 도요타는 간노 교수 등과 함께 예전부터 황화물계 고체 전해질을 이용한 전고체 배터리의 개발에 주력하고 있었다. 다만 수명 문제를 해결하는 데 시간이 걸릴 것으로 보고, 최근에는 폴리머계 고체 전해질에도 주목하고 있는 것 같다.

폴리머계는 이온 전도도가 높은 수지를 고체 전해질로 한 것이다. 황화물계에 비해 탄력성이 있어 음극이나 양극과의 밀착성을 높이기 쉬운 특징이 있다. 도요타는 26~27년 무렵의 실용화를 위해 개발을 서두르고 있는 것으로 보인다.

폴리머계 고체 전해질은 이온 전도도가 낮은 것으로 알려졌다. 17년 미국 Ionic Materials가 기존에 비해 한두 자릿수 높은 전도도를 달성하는 저가 재료를 발표하면서 연구가 가속화되고 있다. 소재 개발 기업 쇼와덴코가 Ionic Materials에 출자했다.

최근에는 혼다도 전고체 배터리 개발에 주력하고 있다. 30년 무렵의 양산을 목표하고 있는 것으로 보인다. 고체 전해질로서 황화물계와 함께 폴리머계와 산화물계를 조합한 재료 등을 검토하고 있다.

일본계 자동차 업체는 대기업 3사가 빠짐없이 전고체 배터리의 자사 개발에 주력하는 이례적인 상황이 벌어지고 있다. 유럽과 미국의 업체들은 유력한 스타트업 기업 등에 출자해 맡기는 것이 보통이다.

국내 자동차 업체 간부는 “배터리의 개발 경쟁에서 패하면 일본의 자동차 산업은 없어진다. 액체계 리튬이온 배터리에서 한국과 중국 업체에 패한 일본에게 전고체 배터리는 절대로 질 수 없는 싸움이다”라고 비장하게 말한다.

우려가 되는 것은 EV의 보급이 이르면 25년에라도 본격 가속될 것이라는 전망이 이어지고 있는 것이다. 30년 이후에 전고체 배터리를 탑재한 EV가 본격적으로 양산될 무렵에는, 이미 EV 시장의 대세가 결정돼 뒤처질 가능성이 있다.

다만 30년 무렵에 승부가 결정될 것이라고 생각하는 전문가는 소수파다. 30년의 EV 비율은 세계에서 30% 전후라는 예측이 많다. 전고체 배터리를 사용해 경쟁력을 높인 EV를 일본 업체가 출시한다면, 이 정도는 반격할 수 있는 가능성이 있다.

그래도 걱정되는 것은 액체류 리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 개발 경쟁이 파워반도체의 개발 경쟁과 닮았다는 점이다. 일본 기업이 오랫동안 공들인 SiC(탄화규소)나 GaN(질화갈륨) 등 화합물계 신재료는 좀처럼 기존의 Si 파워반도체의 아성을 무너뜨리지 못한다. 전고체 배터리가 SiC나 GaN와 같은 길을 걷지 않기를 바란다.

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