차세대 전고체 배터리 알아보기 (ft. 도요타, 삼성SDI, 퀀텀스케이프)

안녕하세요. 현미밸입니다.

 

그동안 2차전지 섹터의 미래가 밝다는 것은 누구나 예상했으나 작년 코로나 사태로 인한 각국 정부의 그린 뉴딜 정책 및 미국 바이든 대통령의 탄소배출 제로 정책으로 인해 2차전지 및 친환경 에너지 산업은 확실한 미래 성장의 동력원으로 부상했습니다.  

 

바이든 시대가 되면서 2차전지뿐 아니라 태양력, 풍력 및 수소 등 다양한 친환경 에너지원이 주목을 받고 있지만 여전히 확실하게 성장할 2차전지 및 차세대 전지인 전고체 배터리에 대한 이해는 필수적입니다. 

2차전지 배터리는 충방전이 가능해서 계속해서 사용할 수 있는 배터리를 의미하기에 납축전지, 니켈카드뮴전지(NiCd), 니켈메탈전지(Ni-MH), 리튬이온전지(Li-ion) 모두 2차전지로 분류할 수 있습니다.

하지만 전기차 시대가 오면서 우리가 사용하는 2차전지라는 표현은 일반적으로 리튬이온전지를 일컫습니다.

리튬이온전지의 차세대 전지가 바로 '전고체(Solid State)' 배터리입니다.

 

참고로 전고체 배터리는 솔리드배터리, Solid State Battery, S.S.B, 솔리드스테이츠배터리 등 다양한 방식으로 표현되니 알고 계세요.

 

대중한테 전고체 배터리에 대한 존재를 알린 것은 바로 지난 2020년 3월 삼성전자 종합기술원의 '전고체전지' 기술이 세계적인 학술지 '네이처 에너지'에 게재되면서 입니다.

 

<삼성종합기술원 전고체 배터리 혁신기술 공개>

 

그리고 그것보다 뇌리에 남는 것은 바로 지난 5월 삼성그룹의 이재용 부회장과 현대차그룹의 정의선 회장의 만남이였죠.

만남의 목적을 '차세대 배터리인 전고체 배터리 기술 방향성에 대한 의견 교환과 현황 공유'라고 했는데 핵심 키워드는 역시 전고체 배터리 입니다.

그 당시 기사들에도 전고체 배터리의 양산 적용시기가 빨라야 2026년이였기에 다들 기억에서 멀어졌습니다.

다시금 전고체 배터리에 관심을 갖게된 것은 미국의 전고체 배터리 스타트업 기업인 퀀텀스케이프(QS)의 주가가 급등했을 때입니다. 그리고 최근 중국의 전기차 스타트업 기업인 니오(NIO, 웨이라이)가 니오 데이에서 NEDC기준 1000km를 가는 전기차에 대해서 언급하면서 또 다시 전고체 배터리에 대한 관심이 이어지고 있습니다.

 

오늘은 전고체 배터리가 무엇인지에 대한 토픽으로 이야기하겠습니다.

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먼저 전고체 배터리를 알기 전에 현 세대인 리튬이온 전지에 대한 간단한 이해가 필요합니다.

리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 양극재(Cathode), 음극재(Anode), 분리막 그리고 전해질입니다.

 

<리튬이온 배터리의 4대 구성요소>

배터리의 기본원리는 음극의 금속에서 나온 이온이 전해액을 타고 양극으로 이동하고 이온에서 분리된 전자(e-)가 도선으로 이동하면서 전기가 발생하는 겁니다.

이때 원자 또는 분자가 양이온(+)이 되려고 하는 정도를 이온화 경향이라고 합니다.

이온화 경향이 가장 낮은 물질로는 금이 대표적입니다.

 

이런 금의 특성으로 쉽게 산화되지 않아 2천년전 유물의 금 장신구들이 온전한 모습을 유지할 수 있는 것입니다.  반대로 리튬은 이온화 경향이 큰 금속이여서 공기 중의 산소와 결합하면 쉽게 산화합니다. 

 

리튬이 배터리 양극재로 많이 쓰이는 이유가 바로 리튬 원소 차체가 띠고 있는 큰 이온화 경향 때문입니다. 그리고 동시에 리튬 자체가 산소 원소가 있는 공기나 물과 접촉시 인화성 및 폭발성을 띠는 위험 물질이기도 합니다.

리튬 이온은 액체상태의 전해액을 통해 이동하는데 이때 분리막을 두어 전자는 통과하지 못하고 리튬이온만 통과하도록
하고 있습니다. 만약 전자가 도선이 아닌 전해액을 통해 이동하게 되면 폭발할 수 있는 겁니다.

물론 일반적인 상태에서는 이런일이 거의 발생하지 않지만 전기차는 충돌 등으로 배터리가 심하게 파손되어 전해액이 누액될 경우가 있을 수 있습니다. 

배터리 제조사에서는 안전을 위해 리튬이온 배터리 설계시 배터리 가스 배출 장치, 과충전 방지장차 같은 삼중, 사중의 안전장치를 만들고 있지만 온도 변화로 인한 배터리 팽창, 외부 충격에 의한 누액 등의 위험은 여전히 상존한다는 문제가 있습니다. 

이런 가장 큰 단점인 위험을 원천적으로 해결하기 위해 액체 전해질을 고체로 바꾼것이 바로 전고체 배터리입니다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신하고 있습니다.

 

<동일한 배터리 용량에도 부피가 줄어든 전고체 배터리>

여기서 이해해야 할 것은 위험성을 줄이기 위해 개발된 전고체 배터리의 또 다른 가능성입니다.

 

앞서 제 블로그에 포스팅한 배터리셀, 모듈, 팩에 내용을 보면 배터리 셀을 모듈에 담고 다시 팩에 담는 것 자체가 안정성 때문입니다.

 

 

[2차전지] 전기차 배터리 셀, 모듈, 팩 이해하기 (ft. 삼성SDI, 현대차)

결국 안전성을 위해서 불필요한 공간과 무게를 차지하게 되는 것이죠.

 

전고체 배터리의 핵심은 지금의 리튬이온 배터리의 안전성을 위한 불필요한 공간을 배터리 용량과 직결되는 양극활물질로 채울 수 있기 때문에 단위 무게, 단위 부피당 배터리 용량을 늘릴 수 있다는 것입니다. 

 

<소재별 배터리 에너지 밀도 비교>

 

위 그래프의 가로축은 단위 부피당 배터리 용량, 세로축은 단위 무게당 배터리 용량으로 중국의 배터리 회사들이 주로 생산하는 리튬인산철(LFP) 배터리는 무게나 부피당 용량이 가장 작습니다. 

 

물론 리튬인산철 배터리 또한 높은 안전성을 기반으로 모듈을 없애는 방식으로 무게나 부피당 용량을 늘리고 있습니다. 비야디(BYD)의 경우 블레이드 배터리, CATL의 경우 CTP(Cell-to-Pack) 배터리가 대표적입니다.

 

그리고 양극활물질인 니켈의 함량이 33%, 50%, 60%, 80%, 90%로 높아질수록 배터리 용량이 증가함을 알 수 있습니다.

 

코나EV에 들어가는 LG화학 배터리가 NCM622이고 현대/기아의 E-GMP 플랫폼에 들어가는 SK이노베이션의 배터리는 NCM811로 배터리 밀도가 조금 더 높다고 하네요.

 

이렇게 하이니켈로 배터리 용량을 증대시켜도 전고체 배터리에 비할바가 아닙니다.

 

전고체 배터리는 NCM622 배터리 보다 거의 2배 용량을 기록합니다.

 

<왼쪽 전고체배터리 VS 오른쪽 리튬이온 배터리>

 

위 사진을 보시면 전고체 배터리는 2.0AH 용량을 가졌으나 리튬이온 배터리 1.8AH 용량 사이즈보다 훨씬 작음을 알 수 있습니다. 

 

현재 전고체 배터리 기술이 가장 앞선 회사는 도요타로 알려져있습니다. 

 

도요타의 전고체 배터리 관련 보유 특허만 1000개를 넘어 세계에서 가장 많으며 실용화 목표시기도 2020년대 전반으로 가장 빠릅니다. 

 

그럼에도 스스로 양산시기를 2024~5년으로 밝힌 퀀텀스케이프의 주가는 몇주간 날아갔습니다. 곧 시장에서 파악을 했는지 다시 주가는 고점 대비 거의 1/3 토막으로 떨어졌네요. 

 

전고체(All-Solid-State-Battery) 배터리 관련 가장 인사이트있는 기사는 조선일보의 '최원석의 디코드'입니다. 

 

자세한 내용을 그 기사를 참고하시는게 좋을 것 같구요. 

 

전고체배터리 연구의 1인자인 간노 료지 도쿄공업대 교수는 배터리 세계에서 신기술이 갑자기 모든 시장을 집어삼키는 일이 일어나기 어렵다고 합니다.

 

100년 넘게 쓰이고 있는 납축전지가 지금도 널리 사용되고 있는건이 그 반증입니다.

 

리튬이온배터리도 상용화를 위한 본격 개발이 시작된지 40여년이 지난 지금에야 꽃을 피우고 있고 전고체배터리의 개발이 본격적으로 시작된지 이제 겨우 십수년이 지났기 때문에 상용화되려면 앞으로도 꽤 오랜 시간이 걸릴 것이라는게 간노 교수의 얘기입니다.

 

그렇기에 처음부터 전고체 배터리를 상용화 하겠다고 호언하는 기업들에 대해선 믿음이 가지 않습니다.

 

현재에서 가장 성장성이 큰 리튬이온전지를 개발하고 양산하면 향후 전고체 배터리로 넘어갈 수 있는 기업이 좋다고 생각합니다. 그럴 수 있는 기업이 저는 삼성SDI라고 생각합니다. 

 

한치 앞을 내다보기 어려운 산업입니다.

 

LFP배터리도, 삼원계NCM)배터리도 계속해서 혁신해 나갈 것이며 수소에너지 또한 같이 경쟁하고 있습니다.

 

지금 당장 미래의 승자가 누가될지는 모릅니다.

 

이번 포스팅으로 전고체 배터리에 대한 막연한 기대감을 가지고 있는 분들에게 도움이 되었으면 좋겠네요.

 

 

 

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