Nikkei Automotive_2024.6 (p48-52)

전고체 '전야'의 차량탑재 배터리
분단 리스크에 대응하면서 ‘드라이 전극’

전기자동차(EV) 비용의 40%를 차지하는 차량탑재 배터리. 침체 분위기인 EV 시장의 호전을 위해서는 배터리의 혁신이 반드시 필요하다. 자동차 업체나 배터리 업체는 차세대 배터리의 핵심으로서 전고체 배터리를 개발한다. 하지만 대량 생산의 장벽은 높다. 그래서 현실해로서 업체들은 리튬이온 배터리의 ‘드라이 전극’ 기술의 실용화를 서두른다. 미국과 중국, 유럽의 대립으로 인한 공급망의 분단 리스크에 주의를 기울이면서 EV용 배터리의 비용 저감을 추진한다.

전고체 배터리는 게임 체인저인가? 이 논의를 추진하기 위해서라도 우선은 ‘게임’에 계속 참전할 필요가 있다. EV용 차량탑재 배터리의 이야기다. 자동차 업체나 배터리 업체에서 배터리 생산량을 확대해 가는 것이 게임 계속의 조건이 된다.

안정적인 생산을 추진할 때 피할 수 없는 것이 미중대립이나 유럽의 보호주의로 인해 높아지는 ‘분단 리스크’에 대한 대응이다. 차량탑재 배터리 업계가 매우 중요한 과제로 마주하고 있다. 현상을 정리하면, 지정학적인 문제를 해결하면서 실용화가 임박한 전고체 배터리에 대비하는 단계라고 말할 수 있다.

중요한 것은 실용화와 대량생산은 별개라는 점이다. 전고체 배터리의 품질이나 성능이 안정되고, 대량생산이 가능한 시기는 ‘2030년 이후’라는 견해가 강하다. 이 때문에 현행 리튬이온 배터리의 비용을 줄이는 방안이 강력히 요구되고 있다. 자동차 업체나 배터리 업체가 주력 개발하는 기술이 ‘드라이 전극’이다. EV 시장이 축소되는 가운데, 차량탑재 배터리 업계는 형세 역전을 위한 대비를 계속한다.

-- 중국이 흑연 수출 규제 --
중국 정부는 2023년 12월 1일, 흑연 수출 규제를 시작했다. 흑연은 EV용 배터리 음극재에 사용되는 재료로, 조달이 막히면 EV 생산에 큰 영향을 미친다. 중국은 세계 유수의 흑연 생산국으로 2022년 세계 생산량 중 65%를 중국산이 차지했다.

“여러 재료에서 리스크가 있다. 다방면에서 리스크 헤지를 생각하면서 재료를 조달하고 싶다”. SUBARU의 오사키(大崎) 사장의 말처럼, 흑연 이외에도 중국은 EV용 배터리 재료 공급에서 중요한 길목을 차단하고 있다. 미국 에너지부(DOE)에 따르면 세계의 리튬(Li)의 60%, 코발트(Co)의 80%를 중국이 생산한다.

독일 BMW의 시산에서는 EV의 차량 비용의 40%를 배터리 팩이 차지한다. 저비용의 배터리 재료를 확보해 안정적으로 생산을 계속하는 것이 EV의 경쟁력과 직결된다. 중국은 배터리 공급망의 상류(Upstream)에 제한을 가함으로써 대립이 깊어지는 미국을 비롯한 타지역을 압박한다.

지역 분단의 흐름이 가속되는 가운데, 미국에서는 인플레이션 억제법(IRA)에 대한 대응이 급선무가 되고 있다. EV 배터리에 사용하는 중요 광물의 일정 비율을 미국이나 호주 등 자유무역협정(FTA)을 맺은 국가로부터 조달하는 것을 세금 우대 요건으로 했기 때문이다.

예를 들면 도요타자동차는 자사의 미국 최초 배터리 공장을 미국 노스캐롤라이나주에서 건설 중이다. 2025년의 생산 개시를 위해 약 139억 달러(약 2조 1000억 엔)을 투입한다.

북미 시장에 주력하는 파나소닉 에너지(오사카부)는 북미 지역 내에서의 재료 조달을 강화한다. 캐나다 Nouveau Monde Graphite(NMG)나 호주 NOVONIX와 흑연 공급 계약을 맺고, 실리콘(Si) 음극재 조달은 미국 Sila Nanotechnologies와 매매 계약을 체결했다.

-- 유럽에서도 문제가 되는 지정학적인 문제 --
유럽에서도 지정학적 문제가 불거지고 있다. 구역내 산업을 지키고 싶은 자세가 선명해지기 시작했다. 유럽연합(EU)은 2023년 9월, 양호하게 보였던 중국과의 관계성을 일변시켰다. 유럽위원회 위원장인 르줄라 폰데어라이엔(Ursula von der Leyen) 씨는 회견을 열고 “세계 시장에는 값싼 중국산 EV가 넘쳐난다. 그 가격은 중국 정부에 의한 거액의 보조금으로 인위적으로 낮게 억제되고 있다. 이것은 우리의 시장을 왜곡하고 있다”라고 주장했다. 같은 해 10월에는 중국제 EV에 대한 보조금 지원의 실태 조사를 정식으로 개시했다.

보조금 정책으로 중국을 견제할 뿐만 아니라, 2023년 8월에 발효한 배터리 규칙 ‘Regulation(EU) 2023/1542’에서도 수비를 강화한다. 배터리의 성능이나 재료, 이산화탄소(CO2) 배출량 등 제조 과정의 정보를 기록하는 ‘배터리 패스포트’의 도입이나, 라이프 사이클 전체의 CO2 배출량인 카본 풋 프린트(CFP)의 산출, 폐 배터리의 재자원화, 리사이클재의 채택 등에 대응할 필요가 있다.

차량탑재 배터리의 재자원화나 리사이클은 “기술적인 난이도가 높고, 유럽은 산업 장벽으로서 이번 규제를 설정한 측면이 있다”(어느 배터리 업체의 간부). 리사이클재의 채택이 요구되는 것은 2031년 이후이지만, 기술 확립이나 플랜트 건설 등을 생각하면 시간은 없다.

-- 전고체 배터리 분단 리스크 --
재료 조달이나 지역 분단이라고 하는 리스크에 대해서, 닛산자동차의 전무 집행 임원인 히라이(平井) 씨는 닛케이 Automotive의 인터뷰에서 이렇게 대답했다. “중국이나 유럽, 미국, 일본처럼 지역 별로 배터리의 사양을 나누거나 지역 내에서 폐쇄형 공급망을 구축해서 대응해 가게 될 것이다”.

분단 리스크에 대한 대응은, 차세대 배터리인 전고체 배터리에서도 중요한 개발 테마가 될 것 같다. 자동차 업체들은 2027~2028년 무렵에 전고체 배터리를 탑재한 EV 발매를 목표로 한다. 시제품 차량을 준비해 성능과 내구성 등을 평가하는 시간을 감안하면 2024년 내에는 전고체 배터리의 사양과 제조방법 등을 어느 정도 정립할 필요가 있을 것이다.

독일의 폭스바겐이 출자하는 미국 Quantum Scape는 2022년 말에 전고체 배터리의 소량생산을 시작했다. 2025년 이후에 21GWh/년의 규모로 대량생산할 계획이며, 그 준비를 빠르게 추진한다. 닛산은 현재, 전고체 배터리의 기술 개발을 목적으로 한 파일럿 라인을 요코하마공장에 건설 중이며, 2025년 3월에 가동할 계획이다.

도요타는 전고체 배터리에 사용할 재료의 후보를 좁힌다. 2023년 10월에는 석유화학 기업인 이데미쓰코산의 고체 전해질을 채택한다고 발표했다. 황화물계의 고체 전해질이다. 현시점에서는 양극재나 음극재에 대해서는 발표하지 않았다. 액계인 리튬이온 배터리와 동일한 재료계에서는 전고체 배터리로 하는 의의도 희미해지고, 재료 조달 리스크도 회피하지 못한다. Co나 니켈(Ni), 망간(Mn) 등 현재의 주류 재료들을 전혀 사용하지 않는 양극재나 Li 금속의 음극재 등 전고체 배터리만의 선택을 기대한다.

-- 전고체 전에 ‘드라이 전극’ --
“(내구성 과제 해결에 대한 전망이 섰기 때문에) 전고체 배터리는 제조 국면으로 들어갔다”. 도요타의 사토(佐藤) 사장의 말처럼 전고체 배터리가 다음에 마주하는 것은 대량생산의 장벽이다.

비용 저감이나 품질 안정에는 일정한 시간이 걸리기 때문에 전고체 배터리를 탑재한 EV가 보급되는 것은 2030년 이후라고 생각하는 것이 자연스러울 것이다. 그 전 단계에서 배터리 비용을 줄이는 기술로서 자동차 업체나 배터리 업체가 주력하는 것이 드라이 전극이다.

드라이 전극은 리튬이온 배터리의 새로운 제조 기술이다. 지금까지 필요했던 전극의 건조 공정을 없애는 것이 최대 특징이다. 리튬이온 배터리의 과제인 막대한 설비 투자나 제조 비용을 줄일 수 있는 비장의 카드가 될 수 있다. EV용 차량탑재 배터리에 대한 적용을 목표로, 세계의 자동차 업체나 배터리 업체가 개발에 주력하고 있다.

일반적인 리튬이온 배터리의 전극 제조 공정은 다음과 같다. 우선 양극재나 음극재, 바인더(접착제) 등을 유기용매에 섞어 슬러리라고 하는 유동성이 있는 페이스트로 한다. 다음으로 슬러리를 집전체가 되는 금속박에 도공하고, 건조로에서 열을 가해 용매를 제거한다. 건조한 것을 프레스하여 소정의 두께로 마무리하고, 롤 형태의 전극으로 한다.

이 중 건조로는 길이가 50~100m에 달하는 거대한 장치로, 배터리 사업의 투자액을 막대하게 하고, CO2 배출량이 많아지는 주된 원인이 되었다. 폭스바겐에 따르면, 배터리 제조 공정 전체에서 소비하는 에너지의 약 30%를 건조 공정이 차지하고 있었다고 한다.

이 과제에 직면한 것이 드라이 전극이다. ‘드라이 코팅’이나 ‘드라이 프로세스’ 등으로 불리는 기술로, 전극 제조 공정에서 건조 공정을 생략했다. 유기 용매를 사용한 슬러리 대신에 분말 상태의 전극재료를 금속박에 도공한다.

기법은 몇 가지가 있다. 타사에 앞서 드라이 전극을 실용화한 미국 테슬라는 소량의 바인더 분말을 사용하고 있는 것 같다. 전극재료와 바인더 분말을 섞고, 가열한 롤러 상에서 집전체와 전극재료를 밀착시켜 단시간에 바인더를 녹여 도공하는 것으로 보인다.

테슬라는 미국 텍사스주에 위치한 ‘기가 텍사스’ 공장에서 만드는 신형 배터리 ‘4680’에 드라이 전극을 적용했다. 미국 미디어 보도에 따르면, 실용화에서는 앞섰지만 4680 배터리의 생산 속도가 오르지 않아, 4680 배터리를 탑재하는 신형 EV ‘Cybertruck’ 양산의 보틀넥이 되고 있다고 한다.

-- 폭스바겐은 26년 무렵에 유럽, 북미에 도입 계획 --
지속 가능하고 저렴한 배터리 제조에서 게임 체인저가 되는 기술. 드라이 전극을 이렇게 규정하는 폭스바겐. 폭스바겐은 2024년 말까지 이 기술의 개발을 완료하고, 2026~2027년에 유럽과 북미의 배터리 공장에 도입할 계획이다. 건조로를 없앰으로써 에너지 소비의 30% 삭감이나 공장 바닥 면적의 15% 삭감 등을 목표로 한다.

개발은 폭스바겐 산하의 배터리 회사 PowerCo가 담당한다. 인쇄기 업체인 독일 코닉앤드바우어(Koenig & Bauer)와 공동으로 드라이 전극의 제조 기술을 완성해 나간다.

배터리 업체들도 실용화를 서두른다. 전고체 배터리의 양산 계획이 늦어지고 있는 것이 배경에 있다. 이 때문에 당분간은 기존의 리튬이온 배터리가 EV용 배터리의 주류가 될 것이라는 견해가 강하다. 드라이 전극을 사용해 비용이나 CO2 배출량, 공장 바닥 면적 등을 줄일 수 있다면 경쟁력과 직결된다.

중국 최대 배터리 기업인 CATL이나 한국 LG에너지솔루션 등을 비롯한 배터리 업체들이 대응하는 가운데, AESC그룹(요코하마시)은 이바라키공장에 드라이 전극의 제조 라인을 구축할 예정이다.

이바라키공장은 AESC그룹이 마더 공장이라고 평가하는 거점으로, 현재는 '제1동'이 완성된 단계다. 배터리 제조 라인으로서 ‘제2동’ ‘제3동’을 계획하고 있고, 전극 제조 라인도 별도로 구축한다. 이 전극 제조 라인에 드라이 전극 기술을 도입해, 2026년에 양산을 개시한다고 한다.

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