Nikkei Automotive_2022.1 Automotive Report (p30~32)

도요타의 전고체배터리, HEV에 먼저 채택
EV 전용은 미뤄져, 현행 액체계 LiB 개선 대응

도요타자동차는 개발 중인 전고체배터리를 전기자동차(EV)가 아닌 하이브리드차(HEV)부터 채택할 방침을 밝혔다. 현시점에서는 EV 전용 전고체배터리의 과제 해결 전망이 보이지 않고 있기 때문. ‘EV의 게임 체인저’가 될 것으로 기대를 모은 전고체배터리이지만, 도요타는 당분간 EV개발에서는 현행의 액체계 리튬이온전지를 개선해 대응한다는 전략이다.

도요타는 이러한 방침을 올 9월에 개최된 배터리에 관한 설명회에서 밝혔다. 도요타 집행임원인 마에다(前田) CTO(Chief Technology Officer)는 전고체배터리를 EV에 도입하는 것에 대해 “기술적인 과제들이 상당히 있다”라고 언급, 조기 실용화에 신중한 자세를 보였다.

도요타가 말하는 과제 중에서도 큰 문제는 배터리의 수명이 짧은 것. 도요타가 특정한 원인은 배터리의 충·방전이 반복되면 고체 전해질이 수축되어 음극활물질 등 간에 틈이 생기고, 이로 인해 이온이 양극과 음극 사이를 통과하기 어려워져 배터리의 열화가 촉진되기 때문이다.

이를 해결하기 위해서는 잘 수축되지 않는 고체 전해질 재료를 찾을 필요가 있다. 마에다 CTO는 “새로운 재료를 찾아낼 수 있다면 채택이 빨리 이루어지겠지만, 찾아내지 못한다면 시간이 걸릴 것이다”라고 현 상황을 설명, 해결 전망이 밝지 않다는 것을 밝혔다. 일반적으로 신재료 개발에는 실용화까지 5년 이상 걸리는 경우가 많다.

한편, HEV로의 채택은 2020년대 전반을 목표로 지정, 이전부터 내걸었던 실용화 목표 시기를 사수할 방침이다. 마에다 CTO는 “신기술은 세상에 나와서 고객의 평가를 받음으로써 성장한다”라고 언급, 조기 양산의 중요성을 강조했다.

도요타가 전고체배터리를 HEV에 채택하는 것은 액체계 리튬이온전지에 비해 출력을 높이기 쉽다는 특징이 있기 때문이다. 전고체배터리가 빈번한 충·방전이 필요한 HEV에 적합하다고 도요타는 보고 있다. 마에다 CTO는 전고체배터리의 특징으로 “이온의 움직임이 빠르다는 점”을 들며, 개발 중인 고체 전해질의 이온전도도가 통상적인 액체계 리튬이온전지를 상회한다는 것을 시사했다.

일반적으로 HEV에 사용되는 배터리의 충전량(SOC) 범위가 좁아 배터리가 비교적 열화되지 않는다고 알려져 있다. 하지만 마에다 CTO는 “낙관할 수 있는 상황은 아니다”라고 언급해 수명 이외에도 다른 과제가 남아 있다는 것을 시사했지만, HEV 전용일 경우 이러한 과제를 해결할 수 있다고 전망했다.

도요타는 현재 전고체배터리의 양산 기술개발을 추진하고 있다. 2020년 6월, 전고체배터리를 탑재한 시작차를 제작해 테스트 코스에서 주행 시험을 실시. 같은 해 8월에는 전고체배터리의 탑재 차량으로 번호판을 취득했다고 한다.

-- 코발트 니켈 없는 새로운 배터리 투입 --
EV전용 전고체배터리의 실용화 시기가 보이지 않고 있는 가운데, 도요타는 현행의 액체계 리튬이온전지의 개선에 주력하고 있다. 2020년대 후반에 차량 1대 당 리튬이온전지 비용을 2022년 투입 예정인 신형 EV에 탑재된 제품과 비교해 50% 낮춘다는 목표를 새롭게 내걸었다. 배터리에서 30%이상, 차량의 전비 개선을 통한 배터리 탑재량 삭감분에서 30%이다.

도요타는 배터리의 코스트 절감을 위해 주요 전극재인 코발트와 니켈을 사용하지 않는 ‘더블(2종류)리스’라고 할 수 있는 새로운 전극재를 개발할 계획이다. 코발트와 니켈의 가격은 비교적 높아 새로운 전극에 사용되는 재료의 가격에 따라서 배터리 비용의 대폭적인 절감으로 이어질 가능성이 있다.

최근에는 ‘NMC811(니켈 80%, 망간 10%, 코발트 10%)’으로 불리며 코발트 함유율을 낮춘 리튬이온전지 개발이 활발하지만, 니켈의 함유율을 줄이는 것은 뒤로 밀려나있다. 도요타가 더블리스를 실현할 수 있게 된다면 배터리의 저비용화 경쟁에서 우위를 차지할 수 있을 것이다. 도요타는 새로운 전극재의 내용에 대해서는 밝히지 않고 있다.

차량 1대 당 배터리 코스트 절감을 위해 도요타는 배터리셀을 탑재하는 팩의 재검토에도 착수할 방침이다. 차체 골격과 팩 구조를 공용으로 함으로써 ‘팩리스’라고 할 수 있는 차량을 개발할 계획이다.

또한 배터리의 충·방전 제어 기술을 통해 사용하는 SOC의 범위를 넓히는 것도 탑재 용량 삭감으로 이어질 것으로 전망된다. 이 밖에도 새로운 배터리 제조 공정이나 배터리 재료 공정 개발도 비용 절감에 기여할 것이라고 도요타는 밝혔다.
 

차량의 전비(電費) 향상은 열에너지 사용량 삭감과 주행 저항 저감, 제동 시의 에너지 회생량 증대 등 다방면에 걸친 기술개발로 실현할 수 있다.

예를 들면 히트펌프의 채택이나 폐열 회수, 직접적인 공조시스템 등을 통해 열에너지 사용량을 삭감하는 것이다. 직접적인 공조시스템은 ”시트 히터나 스티어링 휠 히터(핸들 열선)로 할 경우, 차내 공간 전체를 따뜻하게 하는 것보다 적은 에너지로 탑승자를 따뜻하게 할 수 있을 것으로 본다”(마에다 CTO)라고 한다.

-- 리튬이온전지에도 바이폴라(Bipolar)형? --
도요타는 2020년대 후반을 목표로 전고체배터리를 포함한 3종류의 리튬이온전지를 개발할 예정이다. 3종류란 (1)기존 제품과 같은 각형 구조이면서 비용울 낮춘 액체계 리튬이온전지, (2)구조를 새롭게 한 액체계 리튬이온전지, (3)HEV에서 채택하는 라미네이트형 구조의 전고체배터리이다.

이 중 (2)새로운 구조의 제품에 대해 도요타는 상세한 내용을 밝히지 않고 있다. 하지만 투자자 대상 설명회에서는 최근 도요타가 니켈수소전지에서 실용화한 바이폴라 구조를 리튬이온전지에 전용할 수 없느냐는 질문이 이어졌다.

마에다 CTO는 “리튬이온전지에 바이폴라 구조를 채택할 가능성은 있다”라고 언급, 검토하고 있다는 것을 인정했다. 바이폴라 구조를 채택할 경우, 구조를 단순하게 만들기 쉬워진다. 현재의 각형 배터리에 비해 부품 수가 줄기 때문에 비용을 낮출 수 있을 것으로 전망된다. 마에다 CTO는 “바이폴라 구조를 염두에 두고 있지만, 이것이 유일한 해답이라고는 생각하지 않는다”라고도 말해, 새로운 구조의 배터리에 대한 선택지 중 하나에 불과하다는 뜻을 밝혔다.

바이폴라 구조의 리튬이온전지를 개발 과제로서 마에다 CTO가 꼽은 것은 EV용에서는 고용량이 필요하게 되기 때문에 HEV용에 비해 배터리 크기가 커진다는 점이다. 도요타는 가뜩이나 어려운 바이폴라형 배터리 제조가 한층 더 어려워질 것으로 보고 있다. 마에다 CTO는 바이폴라형 니켈수소 배터리의 공정 개선을 통해 제조 코스트를 내릴 수 있을 가능성이 있을지 여부가 리튬이온전지에서의 바이폴라형 채택에 분기점이 될 것으로 보고 있다.

-- 제휴업체 제조라인도 도요타가 투자 --
도요타는 이번 설명회에서 리튬이온전지의 생산 능력을 2030년까지 200GWh 이상으로 끌어올릴 준비가 되어 있다고 밝혔다. 엄청난 규모이지만 조금씩 라인을 증설할 방침이라고 한다.

2025년 정도까지 10개 라인을 신설, 2026년 이후에는 연간 10개씩 늘려 2030년까지 총 70개를 신설할 계획이다. 단순 계산으로 1라인 당 약 3GWh의 생산 능력으로 비교적 규모가 작다. 도요타의 오카다 CPO(Chief Production Officer)는 '작은 원단위, 작은 투자'를 중시했다고 설명한다. 대규모 라인을 설치할 경우, 수요 급감 등의 경제 불황에 대응하기 어려워지기 때문이다.

도요타는 배터리 개발과 생산에 2030년까지 1.5조엔을 투자하고, 그 중 생산라인 설비투자에 1조엔을 투입할 계획이다. 여기에는 건물 및 토지 비용은 포함되지 않았으며, 단순 계산으로 라인 당 약 140억엔이 투입될 전망이다.

200GWh이상의 생산 능력은 도요타의 그룹 공장과 더불어 제휴처 기업의 몫도 합산한 것이다. 제휴처 기업이 신설하는 라인에 대해서도 도요타가 투자해 설치할 예정이다.

200GWh 이상이라는 생산 능력 규모는 HEV이나 PHEV의 분도 포함되어 있지만, 60kWh의 EV 300만대 분 이상에 해당한다. 도요타는 현재, 2030년에 200만대의 EV와 연료 전지차를 판매할 계획을 내걸고 있어 차이가 있다. 이에 대해 도요타는 최근의 세계 환경규제의 강화를 배경으로 “상향을 상정해 준비해나가고 있다”(곤(近) CFO)라고 설명했다.

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