재료·신소재/화학/환경·에너지

Nikkei Electronics_2024.6 (p34~53)

특집
시작된 차세대 전고체 전지 재료의 개발 경쟁 레이스
파나소닉이 선두, 중국과 미국이 맹추격

도요타자동차 등이 2027~2028년에 차량용 전고체 전지를 실용화할 방침을 내세우고 있는 가운데, 연구 현장에서는 이미 2030년경의 실용화를 내다본 차세대 전고체 전지의 개발 경쟁이 시작되고 있다. 특히 ‘할라이드(Halide)계’로 불리는 고체 전해질 재료가 각광받기 시작하고 있다. 개발을 리드하는 것은 파나소닉. 하지만, 중국이 ‘올 차이나’ 체제를 구축해 맹추격 중이다. 또한, 미국의 마이크로소프트도 AI(인공지능) 기술로 추격하고 있다.

제 1부: 동향
도요타의 전고체 전지 구체화를 계기로 '잠자는 사자' 중국, 각성했나?
 

전고체 전지가 탑재된 전기자동차(EV)를 2027~2028년에 실용화한다는 도요타자동차의 발표 등으로 인해 전고체 전지에 대해 지금까지 ‘잠자는 사자’였던 중국이 각성한 것으로 보인다. 제조사와 대학, 연구기관, 그리고 관청에 금융기관까지 총 200개 사·기관 이상이 전고체 전지 개발을 위해 결속한다고 한다.

최근, EV의 이용자가 증가함에 따라 그 과제도 눈에 띄기 시작하면서 EV 시장 확대가 둔화되고 있는 추세이다. 그 과제란 짧은 항속거리, 긴 충전 시간, 충전소 등의 인프라 부족, 혹한 시 실질적 배터리 용량의 큰 폭의 감소 등이다.

또한, 기존의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지(LIB)에는 충전 속도에 고유한 한계가 있다. 국내에서도 최근 충전 출력 규격이 최대 180kW로 상향되면서, 실제 충전 시스템에서도 120kW 충전소가 설치되기 시작했다.

테슬라의 최대 250kW의 슈퍼차저를 비롯해 해외에서는 350kW 및 그 이상의 충전소도 많이 등장하고 있지만, 이것들은 기본적으로 보다 대량의 배터리를 탑재한 업무용 EV나 EV 트럭용으로, 일반적인 EV에서 이용할 경우, 충전 시간이 큰 폭으로 단축되는 것은 아니다. 또한 급속 충전 시에는 저온 환경 시와 마찬가지로 배터리의 실질적 용량이 저하된다.

지금까지 기업들은 이러한 EV와 배터리의 과제에 대해 적극적으로 유저에게 전달하지 않았다. 이로 인해 유저의 불만이나 실망이 SNS 등을 통해 확산. EV의 역풍이 강해지는 배경 중 하나가 되고 있다.

이러한 과제를 크게 개선하기 위한 비장의 카드 중 하나가 전고체 전지이다. 실제로 도요타자동차가 2027년에 실용화하는 전고체 전지를 이용하면, 안전성 증가와 함께 100℃ 이상의 고온에서도 문제없이 동작하고, 항속 거리도 1,000㎞ 이상으로 늘어난다. 또한, 충전 시간도 약 10분으로 단축. -30℃의 극저온에서도 용량 및 출력이 크게 저하되지 않는 EV가 실현될 수 있을 전망이다.

-- 도요타는 실리콘 음극을 채택할 것인가? --
도요타자동차의 전고체 전지 특허에 따르면, 도요타는 실리콘 합금 음극을 초기의 전고체 전지에 이용할 방침인 것 같다. 실리콘 합금 음극 또는 실리콘 음극은 충전 시에 크게 팽창하고, 방전 시에 수축한다.

이 특허에서 도요타는 음극의 팽창∙수축에 대한 대응책으로 양극의 면적을 약간 줄인 다음, 양극을 직접 감싸는 제1수지의 탄성율을 그 외측의 제2수지의 탄성율보다 작게 하는, 즉, 제1수지를 보다 부드럽게 했다. 이렇게 하면, 음극이 팽창했을 때 양극에 가해지는 압력을 면 방향으로 보내기 쉬워진다.

도요타자동차는 고체 전해질에 이데미츠코산(出光興産)과 공동 개발하는 황화물계 재료를 채택할 것으로 보이며, 이 황화물계 재료는 고체 전해질의 재료 중에서 비교적 부드러운 것으로 알려져 있다. 이 부드러움도 실리콘 합금 음극의 팽창∙수축을 흡수하는데 기여할 것으로 생각된다.

-- 중국 기업들, 반고체 배터리 선택 --
한편, 지금까지 중국의 배터리 업체의 상당수는 전고체 전지에 회의적으로, ‘반고체 전지’라고 부르는 독자적 차세대 배터리의 실용화에 주력해왔다. 처음에는 전고체 전지를 개발했지만, 개발을 단념하고 반고체 전지로 전환한 기업도 있다.

이 반고체 전지의 대부분은 음극 활물질에 금속 리튬(Li)을 이용한다. 이 금속 리튬 음극은 실리콘 음극보다 용량 밀도가 높기 때문에, 배터리의 중량 에너지 밀도를 높이기 쉽다. 반면, 반응성이 높아 일반적인 액체 전해질이나 황화물계 고체 전해질은 환원되어 분해되어 버린다. 그래서 음극과의 계면에는 환원 내성이 높은 폴리머계나 산화물계의 고체 전해질 또는 이들을 복합화한 재료가 사용된다. 하지만, 산화물계 고체 전해질은 단단해 입자 형태의 양극 활물질과의 접촉 면적이 줄어 계면 저항이 커진다. 이 때문에 양극에 기존의 액체 전해질을 사용하여 접촉 불량을 보완해야 한다. 이것이 반고체 전지라고 불리는 이유이다.

중국의 연구자 중에는 이것을 ‘고액(固液) 혼합 전지’라고 부르는 사람도 있다. 최근에는 분류가 보다 세분화되어 사용하는 액체 전해질을 크게 줄인 반고체 전지를 '준고체 전지'라고 부르는 사례도 있다.

이 반고체 전지 개발은 비교적 순조로워, 배터리 교환 방식의 EV 사업을 전개하는 중국의 NIO(上海蔚來汽车)는 2023년 12월, 반고체 전지를 탑재한 자사의 EV가 중국 내 고속도로를 1,000km 이상 중간 충전 없이 주행하는 모습을 자사의 SNS 앱 등에 생중계해 반고체 전지로도 항속 거리가 1,000km의 EV를 실현할 수 있다는 것을 증명했다.

올 3월에는 중국의 신흥 EV 제조사인 IM Motors(智己汽车科技)가 고체 전지를 탑재한 EV ‘즈지(智己) L6’를 올 5월에 판매한다고 발표했다. 일반 발매는 NIO보다 먼저 개시된다. 이 고체 전지는 중국 Qingtao Energy Development(淸陶能源)의 반고체 전지인 것 같다.

-- 도요타 발표로 달라진 중국 기업들--
이러한 배경 아래 중국에서는 적어도 2023년의 여름까지 실용화가 언제가 실현될지 모르는 전고체 전지보다 반고체 전지가 오히려 ‘올바른 선택’이라고 여기는 분위기가 자동차 업체와 배터리 업체, 그리고 미디어 등에서 감돌고 있었다. 중국 최대 차량용 배터리 업체인 CATL(寧德時代新能源科技)도 전고체 전지의 조기 실용화에는 줄곧 부정적인 입장이었다.

그런데 2023년 가을, 이러한 분위기가 많이 달라졌다. 그것은 아마도 도요타자동차가 2027~2028년에 EV용 전고체 배터리를 실용화하겠다고 발표하고, 그 성능에 대해서도 항속거리 1,000km 이상, 충전 시간 10분이라는 지금까지보다 훨씬 구체적인 정보를 밝혔기 때문일 것이다.

CATL도 기존의 부정적인 태도를 뒤집었다. 예를 들면, 2023년 11월 8일, 일본을 방문한CATL의 반켄  이사는 닛케이(日経)신문 주최의 ‘닛케이 포럼 제 25회 세계 경영자 회의’ 에서 “(전고체 전지의) 연구 개발과 대량 생산에 주력해 세계의 리더가 되겠다”라고 말했다.

-- 올(All) 차이나 개발 체제 시동 --
그리고 올 1월 21일, 북경의 칭화(淸華)대학에서 ‘CASIP(China All-Solid-State Battery Collaborative Innovation Platform)’의 설립 총회가 열렸다.

이것은 일본의 ‘산관학 연대’의 중국판이라고도 말할 수 있는 ‘관(정계)-산(기업)-학(학회)-연(연구기관)-금(금융)’ 등, 각 업계에서 인재를 결집해서 전고체 전지 연구 개발을 추진해 실용화를 앞당기는 것을 목표로 하는, 이른바 ‘올 차이나 체제’의 대응이라고 말할 수 있다.

-- 전고체 전지는 파괴적 기술 --
CASIP의 발기인 중 한 사람인 칭화대학의 어우양(歐陽) 교수는 기조 강연에서 “도요타자동차의 전고체 전지의 특허 수가 1,300건을 넘고 있는 한편, 2023년 10월 시점에서 중국 기업이 보유하고 있는 전고체 전지 관련의 특허 수는 100건에도 미치지 못한다”라고 지적. 또한, 일본에서는 이미 산관학으로 구성된 연구 개발 조직 ‘기술 연구 조합 리튬이온전지 재료 평가 연구 센터(LIBTEC)’가 전고체 전지 개발을 추진하고 있다는 것도 언급하는 등, 일본을 전고체 전지 개발의 경쟁 상대로 강하게 의식하고 있다는 것을 드러냈다.

어우양 교수는 지금까지 중국 기업들이 개발해 온 반고체 전지는 “(금속 리튬 음극의) 안전성을 높이는 기술이지만, 파괴적 기술이라고는 말할 수 없다”라고 말하며, “파괴적 기술인 전고체 전지에 의해 초래되는 리스크를 경계해야 한다”라고 언급. 반고체 전지로 만족하는 중국 기업들에 대해 경종을 울렸다. 또한, 어우양 교수는 2030년경까지의 전고체 전지를 실용화해야 한다고 강조했다.

-- CATL과 BYD도 참가, 하지만 진정성은 불확실 --
이번 설립 총회에는 200개 사 이상이 참석. 중국의 주요 배터리 및 자동차 업체의 대부분이 참가했다. 여기에는 지금까지 배터리 분야에서 라이벌 관계에 있던 CATL과 BYD(比亞迪汽车)의 이름도 있었다. 하지만, 칭화대학 등의 회의 기록을 살펴보면, 이번 설립 총회에서 강연한 것은 일본의 경제산업성과 총무성을 합친 것 같은 중국의 정부부처인 공업화신식화부(工業和信息化部) 장관과 전고체 전지를 연구하는 학자가 중심으로, 기업 인사는 강연에 참가하지 않았다. 산-관-학-연-금이라고 하지만, 실체는 학과 관의 주도일 가능성도 있다.

제 2부: 신재료
전고체 전지용 차세대 전해질, 파나소닉과 중국 기업이 선두 경쟁

기존의 주요 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 그리고 폴리머계 등 3종류로 나뉜다. 이것들은 모두 일장일단을 가지고 있으며, 각각 다소 심각한 과제를 안고 있다. 최근 들어 결점이 적은 ‘할라이드계’로 불리는 재료군(群)이 각광받기 시작했다.

제 3부: AI 활용
마이크로소프트가 AI를 무기로 재료 개발에 참여, 80시간 만에 18종류의 후보를 새롭게 발견

전고체전지의 고체 전해질 재료는 지금까지 수십 년간 연구자의 경험과 통찰을 통해 개발되어 왔지만, 최근 들어 기계학습과 인공지능(AI)을 구사하는 머티리얼즈인포매틱스(MI)로 개발 기간을 크게 단축하는 움직임이 눈에 띄기 시작했다. 할라이드계 고체 전해질에서는 미국의 마이크로소프트가 자사의 클라우드를 무기로, 미국의 연구소와 공동으로 연구 개발에 참여하고 있다.

 -- 끝 --

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목차 Nikkei Electronics_2024.6

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