지난 3月6日 서울 강남구 코엑스에서 열린 ‘인터배터리 2024’에서 三星SDI가 業界 最高 에너지 密度 ‘900Wh/L 全固體 배터리’의 開發 및 梁山 準備 로드맵을 처음 公開했다. 三星SDI 提供
‘꿈’만큼 가슴 벅차고 설레게 하는 單語가 또 있을까요? 電氣車의 核心 部品인 배터리를 만드는 會社 間에 只今 ‘꿈의 배터리’라 불리는 全固體 배터리 市場을 先占하기 위한 물밑 競爭이 熾烈합니다.
LG에너지솔루션, 三星SDI, SK온 等 國內 배터리 3사뿐만 아니라 CATL, 비야디(以上 中國), 파나소닉(日本) 等 글로벌 業體들까지 加勢해 國境을 超越한 ‘戰爭’을 펼치고 있습니다. 全固體 배터리가 都大體 무엇이길래 꿈이라는 神聖한 單語를 넣은 愛稱까지 附與해가며 主導權을 쥐려고 저마다 血眼이 돼 있는 걸까요? 全固體 배터리의 A부터 Z를 샅샅이 훑었습니다. 全固體 배터리의 모든 것쯤 되겠네요.
■全固體 배터리란 무엇인가
먼저 電氣車의 核心 部品인 배터리의 構成을 살펴보겠습니다. 배터리는 兩極財(리튬, 니켈, 코발트, 망간), 陰極材(黑鉛, 실리콘), 電解質, 分離膜으로 이뤄져 있습니다. 電子(電氣를 運搬하는 粒子)가 陽極에서 陰極으로 移動하면서 電氣를 發生시키죠. 배터리를 裝着한 電氣車는 그 힘으로 굴러가는 거고요. 따라서 電子의 移動을 促進하는 電解質이 必要합니다. 陽極과 陰極은 合線을 避해야 하므로 分離幕을 세워 둘을 區分합니다.
只今 電氣車에 主로 裝着되는 리튬이온 배터리의 電解質은 모두 液體로 돼 있습니다. 다 좋은데 溫度가 上昇하거나 衝擊이 加해지면 쉽게 模樣이 變形된다는 點이 問題로 指摘됩니다. 分離幕을 뚫고 可燃性 液體 電解質이 새어 나올 可能性이 커지는 거죠. 이는 陽極과 陰極의 衝突로 이어지고, 火災의 危險性을 키웁니다. 많은 消費者들이 電氣車 購買를 망설이는 주된 要因 中 하나로 ‘火災 發生의 危險性’을 떠올리는 現實을 考慮하면 어떻게든 改善해야 하는 脆弱點이라고 하겠습니다.
이런 理由로, 배터리 業體들 사이에선 열 轉移 防止가 主要 이슈로 떠오른 狀況이고, 特定 셀의 溫度가 올라갈 境遇 隣接 셀로의 熱 傳達을 防止하기 위한 防染 패드, 熱을 放出하기 위한 갭 필러 等 다양한 素材들을 배터리 팩에 適用하고 있습니다. 이는 工程을 더욱 複雜하게 만들며, 費用 負擔을 加重시킵니다.
이 대목에서 ‘全固體 배터리’라는 새로운 槪念이 登場합니다. 簡單히 말해, 可燃性 液體 電解質을 不燃性 固體 電解質로 바꾼 배터리를 일컫는데요. 電解質을 液體 狀態에서 固體로 바꾸니 웬만한 衝擊에도 잘 버팁니다. 쉽게 變形되지 않고 漏液 發生 確率도 낮으니까 火災 危險性이 크게 줄어듭니다. 단단한 固體 電解質이 兩極財와 陰極材 사이에 떡 하고 버텨주니 分離膜이라는 存在가 따로 必要 없지요.
分離膜이 사라진 空間만큼 에너지 密度를 높이기 위한 陰極 活物質(리튬 메탈, 高性能 실리콘 等)로 배터리를 채울 수 있습니다. 배터리의 效率이 높아지니 1回 充電 時 走行距離가 自然스레 늘어나겠지요. 市中에 나와 있는 電氣車 배터리는 普通 한番 完充하면 400~500㎞ 程度를 달리는데요. 只今 開發 中인 全固體 배터리를 裝着하면 1回 完充 時 走行距離가 800~1000㎞ 程度로 늘어납니다. 거의 2倍나 되는 走行距離, 可히 ‘꿈의 배터리’라고 부를 만하지요. 充電速度도 빨라집니다. ‘빨리빨리’가 옥스퍼드 英語辭典에 登載될 만큼 速度를 重視하는 韓國 文化에서 이것만큼 口味를 당기게 하는 要素가 또 있겠습니까. 電氣車 市場의 版圖를 바꿀 ‘게임 체인저’라는 말이 괜히 나온 게 아니지요.
液體 電解質 배터리와 比較해 같은 크기라면 以上과 같은 長點이 있겠고요. 反對로 생각해볼 수도 있겠습니다. 向上된 에너지 密度로 인해 只今보다 充電 速度와 1回 充電 時 走行 距離가 飛躍的으로 늘어나므로 굳이 배터리 크기 擴大에 執着할 必要가 없는 거죠. 全固體 배터리 技術의 發達과 함께 앞으로 배터리 크기는 漸漸 작아지겠구나, 豫想해볼 수 있습니다. 배터리의 輕量化는 車體 重量 減少로 이어지겠지요. 그러면 空氣 抵抗이 줄어 速度 向上에 도움을 줄 거고, 이로 因해 戰費는 더 좋아지는 善循環이 可能해집니다.
■短點도 있다
꿈이라고 해서 늘 설레기만 한 건 아니지요. 荒唐한 개꿈도 있고, 식은땀을 흘리며 벌떡 일어나게 만드는 惡夢도 있으니까요. 꿈의 배터리로 불리는 全固體 배터리한테도 短點은 있습니다. 充電 時 리튬이온의 移動 速度가 液體 電解質 배터리에 比해 相對的으로 더딥니다. 부드러운 液體 電解質보다 딱딱한 固體 電解質의 抵抗이 클 테니 어쩌면 當然한 現象이지요. 이는 出力 低下와 直結됩니다. 抵抗을 뚫고 充電과 放電 作業을 反復하다 보면 배터리 壽命도 短縮되겠지요. 이런 點까지 克服한 固體 電解質을 만들려면 아무래도 液體 電解質보다 高度의 技術力이 必要합니다. 배터리 셀 製造 過程에서 耐久性 테스트를 위한 엄청난 壓力과 溫度가 必要하므로 量産 設備 構築 過程에서 턱없이 비싼 價格이 所要된다는 點 또한 배터리業界가 넘어야 할 障礙物입니다.
■뚜벅뚜벅 나아간다
制約 要因이 있다고 해서 여기서 주저앉을 人類가 아니지요. 歷史가 그랬습니다. 難關을 뚫고 한 걸음씩 前進해 只今에 이르렀으니까요. 固體 電解質을 만드는 方式에는 여러 가지가 있습니다. 業體들마다 高分子界 遺棄 固體 電解質인 폴리머(重合體)와 酸化物契·黃化物系를 비롯한 武器 固體 電解質 等 다양한 素材를 利用한 硏究 開發 作業을 進行 中입니다. 이 中에서 黃化物을 利用한 方式이 리튬이온 傳道도(이동 速度)와 셀 性能 面에서 가장 優秀하다는 評價를 받고 있습니다. 黃化物系 電解質이 앞서 言及한 出力 低下와 같은 全固體 배터리의 短點을 補完할 수 있는 最適의 素材로 꼽히는 背景입니다. 生産 및 準備 過程이 複雜해 如前히 많은 難關이 도사리고 있습니다.
■韓·中·日 三國志가 始作됐다
次世代 배터리로 注目받는 全固體 배터리 量産 目標 時點을 國內 배터리 3社는 조금씩 다르게 잡고 있습니다. 三星SDI는 2027年, SK온은 2029年, LG에너지솔루션은 2030年입니다. 三星SDI는 이미 試製品을 만들어 限定된 物量이긴 하지만 完成車 業界에 供給해 性能과 安全性 評價 作業을 벌이고 있다는 얘기도 들립니다. 物的 分割 以後 繼續해서 赤字 行進을 이어가고 있는 SK온은 電氣車 캐즘(一時的 需要 鈍化) 局面을 맞아 急한 불부터 꺼야 하는 形便이지만, 後發走者인 만큼 全固體 배터리와 같은 超隔差 技術 確保에도 死活을 걸고 있습니다. 지난 3月 열린 ‘인터배터리 2024’에서 美國의 벤처企業人 솔리드파워와 協力해서 開發한 黃化物系 固體 배터리를 展示한 SK온은 2025年까지 大田 배터리 硏究院에 全固體 배터리 파일럿 라인을 構築할 計劃입니다.
가장 많은 배터리 關聯 글로벌 特許를 保有한 데다 가장 먼저 全固體 배터리 競爭에 뛰어든 LG에너지솔루션이 가장 늦은 目標 時點을 提示했다는 點이 눈에 띄죠. 그만큼 차근차근 準備해서 제대로 된 全固體 배터리를 선보이겠다는 意志의 表現일 수도 있고, 後發走者들의 追擊이 實로 만만치 않고 實際 量産 段階에 이르기까지는 넘어야 할 山이 그만큼 많다는 傍證일 수도 있겠습니다. 한·中·日 三國志를 펼치고 있는 中國과 日本의 競爭業體들도 좀 甚하게 表現하면 자고 나면 日程表가 바뀝니다. 어느 瞬間 量産 目標 時點이 미뤄져 있는 等 들쭉날쭉합니다.
業體는 그렇다 치고, 이를 支援射擊하는 政府의 介入 程度와 水位에도 注目해볼 必要가 있습니다. 오래前 始作된 中國의 補助金 政策은 익히 알려진 事實이고, 日本 業體들도 政府 補助金을 土臺로 近來 들어 猛追擊 樣相입니다. 지난달 29日 中國 官營 英字紙 차이나데일리 報道를 보면, 中國 政府는 次世代 電氣車의 核心 分野인 全固體 배터리 硏究·開發(R&D)을 督勵하기 위해 業界 最大 規模인 約 60億위안(藥 1兆1270億원)을 投資할 計劃이라고 합니다. 世界 最大 電氣車 배터리 製造業體인 CATL과 웰리온 等 배터리業體와 비야디(BYD), 디이自動車(FAW), 상하이自動車(SAIC), 지리自動車 等 自動車 業體의 最小 7個 프로젝트가 支援 對象에 包含됐다는데요. 中國 自動車 및 배터리 業體들이 올해 2分期부터 全固體 배터리 開發 狀況을 發表하면서 잇따라 梁山 計劃을 밝히는 等 自信感을 披瀝하고 있는 背景에 이런 政府의 支援이 있다는 分析이 나옵니다. 日本 도요타자동차度 2027∼2028年을 全固體 배터리 搭載 車輛 出市 目標 時點으로 잡고 R&D에 拍車를 加하는 中입니다. 요미우리신문의 지난 4月29日 報道에 따르면 電氣車의 航速距離를 飛躍的으로 늘릴 것으로 期待되는 ‘全固體 배터리’에 關한 特許 出願에서 파나소닉, 도요타 等 日本 企業이 世界 全體의 約 折半을 차지하고 있는 것으로 나타났습니다. 닛산은 來年 3月 全固體 배터리 生産 라인을 試驗 稼動하고, 2028年에 大量 生産을 始作한다는 構想입니다. 日本 政府는 2030年까지 日本 企業의 글로벌 배터리 市場 占有率 20% 回復을 目標로 總 54兆5000億원의 民官 投資를 斷行하기로 하는 等 支援을 强化하고 있습니다.
韓國 政府도 全固體 等 次世代 배터리 支援을 위해 올해부터 2028年까지 1172億원을 投入한다고 밝혔지만, 이는 中國 政府 支援金의 10分의 1 水準에 不過합니다. 가뜩이나 글로벌 배터리 1位 企業인 CATL의 R&D 費用이 國內 배터리 3社의 R&D 費用을 合한 金額보다 많다는 指摘이 있는 狀況에서 政府 支援까지 加勢하면 R&D 費用 隔差는 더 커질 수밖에 없는 構造라는 볼멘소리가 業界 關係者들 사이에서 나오고 있습니다.
勿論, 나라 財政이라는 게 무슨 畵手分도 아니고 分明 限界가 있지만 時期의 問題일 뿐, 모든 움직이는 對象이 배터리를 中心으로 펼쳐지는 時代의 到來가 定해진 順序라면 只今부터 제대로 된 目標를 設定하고 民官이 손을 맞잡고 성큼성큼 걸어갈 必要는 있다고 생각합니다.
지난 4月23日 서울 강남구 코엑스에서 열린 ‘第37回 世界電氣自動車 學術大會 및 展示會(EVS37)’에 參加한 三星SDI의 展示會 부스 鳥瞰圖. 三星SDI는 全固體 배터리를 비롯한 未來 電氣車用 배터리 技術들을 大擧 선보였다. 三星SDI 提供