전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2607호 (p16-17)

닛산자동차, 전고체 배터리에 드라이 전극 적용
2028년도 양산은 ‘수백 대 이하’부터
앞서가는 테슬라와 차별화

닛산자동차는 전고체 배터리 제조 공정에 드라이 전극 기술을 적용한다. 에너지 소비가 큰 건조 공정을 생략할 수 있어 제조 비용을 낮출 수 있다. 현재는 배터리 셀을 시제품으로 제작해 성능을 평가하는 단계다. 계획대로2028년도부터 양산한다. 드라이 전극 개발에서는 미국 테슬라가 앞서 있지만, 이를 전고체 배터리에 적용하는 시도는 드물다.

닛산은 지금까지 전고체 배터리의 고체전해질에는 황화물계, 음극에는 리튬(Li) 금속, 양극에는 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co)의 3원계(NMC)를 적용한다는 방침을 밝혀왔다. 최근 새롭게 도입한 것이 드라이 전극 기술이다. 2025년 8월에 미국 LiCAP Technologies와 제휴하고 드라이 전극 기술을 도입했다.

-- 유기용제 건조나 회수가 불필요 --
양극 재료를 분말 상태에서 균일하게 혼합한 뒤, 건조된 상태 그대로 전극박에 도포하는 ‘드라이 코팅’을 통해 양극을 만든다. 분말 상태이기 때문에 가라앉는 재료 성분이 없으며, 일정 시간 방치해도 균일성을 유지할 수 있다. 유기용제를 건조하거나 회수할 필요가 없어 제조 비용을 절감할 가능성이 있다.

일반적인 배터리 제조에서는 양극 재료를 유기용제에 녹여 슬러리를 만든 뒤 이를 전극박에 도포하고 건조시켜 전극을 만든다. 건조 공정의 에너지 소비가 큰 데다 비중 차이로 가라앉는 재료 성분이 있어 균일한 슬러리를 만드는 것이 어려웠다고 한다.

드라이 전극 개발에서는 테슬라가 앞서 있으며, 액체 전해질계 리튬이온 배터리 제조에 이미 실용화했다고 발표했다. 4680 셀의 양극과 음극 모두에 드라이 전극을 적용해 미국 텍사스주 오스틴 공장에서 생산하고 있다고 한다. 독일 폭스바겐(VW)도 개발을 진행하고 있다. 닛산은 차세대 배터리인 전고체 배터리에 드라이 전극을 적용함으로써 테슬라 등과 차별화를 꾀한다.

-- 기존 배터리를 훨씬 뛰어넘는 수명 --
닛산이 시제품으로 제작한 전고체 배터리 셀은 실제 차량에 탑재할 수 있는 크기와 두께를 갖춘 23층 적층형이다. 시제품 단계에서는 설계대로 충·방전 성능이 나오고 있으며, 내구성을 나타내는 용량 유지 성능에 대해서도“기존의 액체 전해질계 리튬이온 배터리의 범위를 훨씬 뛰어넘는 수명을 확인하고 있다”(닛산 집행임원 파워트레인&EV기술개발본부 이나미지마(生浪島) 씨).

차량용 셀의 시제품 제작을 마치고 평가에 들어가는 동시에, 닛산은 여러 셀을 묶은 배터리 모듈 설계에도 착수한다. 차량용 모듈의 시제품 제작이 완료되면 차량에 탑재하는 배터리 팩 개발로 넘어간다. 2028년도에는 수백 대 이하로 대수를 제한해 시장에 투입하고 다양한 데이터를 확보할 계획이다.

보급을 위한 최대 과제는 고체전해질 등의 높은 재료비다. 현재 시제품을 기반으로 배터리 팩을 만들 경우 EV 1대당 가격이 1억 엔을 넘을 가능성이 있다고 한다.

현재는 소량 생산되는 고체전해질을 소재업체로부터 공급받고 있어 재료비가 크게 치솟은 상태다. 대량 생산하면 가격을 낮출 수 있지만, 소재업체들은 설비투자를 주저하고 있다. 가까운 미래에 전고체 배터리가 실제로 보급될 것인지 자동차업체와 배터리업체, 소재업체 모두 확신하지 못하고 있다고 한다.

다만 닛산은 전고체 배터리의 잠재적인 원가 경쟁력이 높다고 보고 있다. 향후 수십 GWh 규모로 생산할 수 있게 되면 기존 액체 전해질계 리튬이온 배터리보다 비용이 몇 십 퍼센트 낮아질 잠재력이 있다고 판단한다. 전고체 배터리를 보급하려면 기업의 경계를 넘어선 협력을 통해 생산량을 확보하고 소재업체의 설비투자를 유도하는 등“여러 기업이 힘을 합쳐 물량을 확보할 수 있는 어떤 형태의 협력 체계가 필요할 것으로 보고 있다”(이나미지마 집행임원).

-- Li 금속으로 에너지 밀도 향상 --
전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 리튬이온을 이동시키는 역할을 하는 전해액을 고체로 대체한 배터리다. 전해액은 가연성이 있는 반면 고체전해질은 잘 타지 않기 때문에 전고체 배터리로 만들면 안전성을 높이기 쉽다. 그동안 고체전해질은 리튬이온이 통과하기 어렵다는 문제가 있었다. 이온이 쉽게 이동할 수 있는 고체전해질 연구가 진전되면서 EV에 사용하는 대형 배터리의 본격적인 양산이 가까워지고 있다.

안전성 향상과 함께 EV의 주행거리에 영향을 미치는 에너지 밀도를 높이기 쉽다는 점도 자동차업체들이 전고체 배터리 개발에 적극적인 이유 중 하나다. 전해액을 사용할 때는 적용하기 어려웠던 새로운 전극 재료를 채택하기 쉬워진다. 새로운 재료의 유력 후보가 리튬 금속이며, 닛산은 이를 음극에 적용할 방침임을 공개했다. 리튬 금속을 음극에 사용하면 현재의 흑연 음극을 사용하는 경우보다 무게를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도를 약 2배 가까이 높일 수 있다고 한다.

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닛케이 일렉트로닉스_2607호 목차

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