일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.4.13

드디어 고체 배터리가 EV에, 중국∙대만∙한국이 축포
일본은 5년 뒤처짐, 중국 NIO의 EV에 채용한 배터리 업체도 판명

전해질 모두에 고체 재료를 이용한 전기자동차(EV) 전용의 전고체 배터리 혹은, 액체 재료와 고체 재료를 조합한 반고체 배터리의 본격 양산이 임박해 왔다.

지금까지 제품화된 전고체 배터리는 대부분이 민생기기용이거나 전자회로 기판 위에 올려놓을 수 있는 소용량 제품이었다. EV 전용의 대용량품의 제품화는 지금부터다. 그 양산 제1호의 유력 후보 중 하나가 중국의 세라믹계 재료 업체였던 QingTao Energy Development(이하, QingTao)이다.

QingTao의 제품에서는 세라믹, 즉 산화물계 재료와 수지를 조합한 복합 재료를 고체 전해질로 이용한다. 최신 시작 셀에서는 중량 에너지 밀도가 368Wh/kg으로 높다. QingTao는 이미 20년에 1GWh/년 규모의 파일럿 제조 라인을 가동시키고 있으며, 10GWh/년 규모의 양산 공장의 건설을 22년 3월에 시작했다. 이르면 22년 내에 가동할 전망이다.

-- NIO 채용 '고체 배터리' 업체 드디어 밝혀져 --
고체 배터리의 양산에서 QingTao와 대항하고 있는 기업은 중국의 WeLion New Energy이다. WeLion은 QingTao가 발표하기 며칠 전인 22년 2월말에 반고체 배터리 양산 공장의 건설 시작을 발표했었다. 3월이 되면서 그 출하처가 미국 테슬라에 대항하는 중국의 EV 기업 NIO라는 사실이 밝혀졌다.

NIO가 21년 1월에 항속거리 1,000km라는 EV ‘ET7’을 발표하고 나서, 중국이나 그 외의 해외 미디어에서는 ET7에 탑재하는 고체 배터리의 150kWh 배터리 팩을 어느 업체가 제공할 것인가가 화제가 됐었다. WeLion은 당초부터 하마평에 올랐던 업체다.

WeLion 양산 규모는 20GWh/년으로 QingTao를 웃돈다. 출하 개시는 22년 말부터 23년 전반으로 한다. NIO는 ET7의 발매를 이미 시작했으며, 표준 장착하는 배터리는 100kWh다. 150kWh의 배터리 팩은 이르면 22년 중에 양산한다고 한다.

최근 WeLion에는 중국의 샤오미나 화웨이와 같은 IT 대기업의 출자도 잇따르고 있어 앞으로 세계적으로 무시할 수 없는 존재가 될 것으로 보인다.

-- 두 번째 배터리 업체는 어디일까? --
NIO에 배터리를 제공하는 배터리 업체는 중국 Gotion High-Tech Power Energy 등도 최근까지 하마평에 오르는 유력 후보였다. Gotion의 배터리 출하처는 일단 중국 Great Wall Motor이다. 한편 QingTao의 배터리 출하처는 아직까지는 공개되지 않았다. 중국에는 중국 이외에서는 별로 알려지지 않은 EV 업체가 많은 것도 사실이지만 NIO의 배터리 출하처로 Gotion이나 QingTao가 될 가능성도 버릴 수는 없다.

-- 사이클 수명 5,700회의 배터리도 --
그 외의 EV 전용 배터리 업체에도 큰 움직임이 있다. 대만의 프롤로지움(ProLogium Technology)이다. 프롤로지움은 22년 3월, 이륜용 배터리 교환식 서비스에 사용하는 대형 전고체 배터리를 대만의 고고로(Gogoro)와 공동으로 시작(試作)했다고 발표했다. 프롤로지움은 전고체 배터리를 가장 먼저 제품화한 업체다. 양산은 22년 말을 예정하고 있으며 규모는 1GWh/년으로 약간 소극적이다.

이 밖에도 미국의 팩토리얼 에너지와 SES의 개발 성과도 간과할 수 없다. 팩토리얼 에너지는 배터리의 특성 데이터를 거의 공개하지 않았다. 유일하게 공개한 충방전 사이클 수명은 673 사이클에서 용량 유지율 97.3%이다. 이것은 용량 유지율80%가 될 때까지 약 5,700 사이클이라고 환산할 수 있으며, 고체 배터리계에서는 발군의 장수명이다.

이 프롤로지움과 팩토리얼 에너지에는 EV 업체의 출자가 잇따르고 있다. 특히 독일의 메르세데스·벤츠는 양사에 출자했다. 프롤로지움에는 임원도 파견한다.

한편, SES는 107Ah로 대용량에 중량 에너지 밀도가 417Wh/kg, 부피 에너지 밀도가 935Wh/L이라는 업계 최고의 셀을 발표. 미국 제너럴 모터스(GM) 외 다수의 EV 업체의 출자를 받는다. 21년에는 대만의 홍하이정밀공업과 배터리 재료 개발에서 제휴했다.

-- 순 Si 음극 배터리가 실현으로 --
기존의 대형 배터리 업체 중에서는 업계 제2위인 한국 LG Energy Solution(LG ES)의 개발 성과가 흥미롭다. LG ES는 21년 9월에 미국 샌디에이고 캘리포니아대학(UCSD)과 공동으로, Si가 99.9 중량%인 음극 전고체 배터리를 개발했다.

지금까지 Si 음극은 충방전으로 Si의 팽창 수축이 크기 때문에 그대로는 사용할 수 없고, 탄소재료와 혼합함으로써 그 영향을 억제하고 있었다. 이것으로는 Si의 고용량 밀도를 충분히 활용할 수 없다.

한편, 이번에는 Si를 입자 지름 5µm 내외의 미립자로 만든 다음 탄소 재료는 사용하지 않고 고체 전해질로 Algyrodite type 황화물계 재료인 Li6PS5Cl를 선택했다.

그러자 Si의 미립자 사이의 틈이 팽창 수축을 흡수. 또한 최초 충전 시에 Si 음극과 전해질의 계면에서 화학반응이 일어나 Li2S의 부동태(SEI)가 형성되었다. 이것이 배터리의 장수명화에 유리하게 작용해, 충방전 사이클 수명 500회를 실현했다고 한다.

중량 에너지 밀도는 300Wh/kg으로 참신한 음극에 비해 소극적이지만 전해질을 줄이거나 양극 재료를 고용량 재료로 바꾸는 연구를 하면, 보다 높은 값도 실현될 가능성이 있다. LG ES는 25~27년경에 전고체 배터리를 양산할 계획이다. 앞으로의 개발을 계속 주시할 필요가 있을 것 같다.

한편, 도요타자동차 등 일본의 자동차 회사는 전고체 배터리를 EV에 채용하는 시기를 조금씩 뒤로 미루는 경향에 있다. 만일 NIO 등의 중국 업체가 예정대로 채용을 진행하면 고체 배터리 채용 시기가 5년 이상 차이가 벌어질 것으로 보인다.

-- 일본에서는 재료계 기업이 전진 --
그런 가운데 일본에서 성과를 올리고 있는 것은 재료계 업체들이다. 미쓰이금속광업은 분체인 Li6PS5Cl를 시트 상태로 하는 기술을 개발. 이것으로 전고체 배터리의 제조가 쉬워진다고 한다.

니혼전기유리는 이전부터 개발하고 있는 전고체 나트륨(Na) 이온 2차전지(NIB)를 전시회에 출품해 서브셀을 처음으로 공개함과 동시에 10개를 사용해 로봇청소기를 구동해 보였다. 이 배터리의 높은 출력 특성을 보여주는 것이 목적으로 보인다.

 -- 끝 --

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