설비 대형화·가격 안정화·기술 이슈 등 난제도
[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 오는 2027년 전고체 배터리 상용화를 두고 도요타와 삼성SDI가 격돌한다.
삼성SDI는 신중한 전략을 펼치고 있다. 전기차 배터리 설비도 크게 늘리지 않고, 수익성 중심 수주 전략을 고수하고 있다. 대신 차세대 배터리에선 과감한 투자를 이어가고 있다.
도요타는 전기차 전환에 뒤쳐졌다. 전 세계 1위 내연기관차 판매량을 자랑하지만, 전기차에서는 현대 기아차에도 뒤쳐졌다. 전기차 시장 판도를 전고체 중심으로 바꿔 열세를 만회하려 한다.
16일 업계에 따르면 도요타가 미래 전기차(EV)용 배터리 시장의 '게임 체인저(Game Changer)'로 불리는 '전고체 배터리' 양산 속도를 낸다. 도요타는 황화물계 고체 전해질 재료 개발에 성공했다. 도요타는 2027~2028년 전고체 배터리를 실용화하고 양산까지 한다는 목표다.
사토 고지 도요타 사장과 기토 슌이치 이데미쓰코산 사장은 지난 12일(현지 시각) 공동 기자회견을 열고 "시행착오 끝에 양 사는 잘 깨지지 않고 고성능을 발휘할 수 있는 황화물계 고체 전해질 재료를 개발했다"고 밝혔다. 이 분야 특허 1위인 도요타가 3위인 이데미쓰코산과 협업하면서 목표에 한 발 더 빠르게 다가설 수 있게 됐다.
전해질은 리튬이온이 양극과 음극으로 자유로이 이동할 수 있도록 하는 물질로 일종의 통로 역할을 한다. 전고체 배터리는 '전해질'을 액체가 아닌 고체로 대체한 차세대 배터리다. 불연성의 고체 사용으로 화재 위험이 적고 냉각 장치 등이 따로 필요하지 않아 전지의 ▲고용량화 ▲소형화 ▲형태 다변화 등 사용 목적에 따라 다양하게 활용이 가능한 차세대 유망 기술이다.
상용화된 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질이 배터리를 감싸고 있다. 반대로 전고체배터리의 전해질은 고체 상태로 구조적으로 단단하다. 액체 상태의 전해질을 가진 리튬이온 배터리는 온도 변화에 따라 몸체가 부풀거나 외부 충격에 손상 시 누수로 화재나 폭발 위험이 존재한다.
국내 배터리 3사 가운데 전고체 배터리 분야에서 가장 앞선 곳은 삼성SDI다. 양산 목표는 2027년이다. 지난해 3월 경기도 수원 연구소 내에 황화물계 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공했다. 고체전해질 소재와 리튬 음극재로 수명을 개선한 독자 기술인 무음극 기술을 보유하고 있다. 삼성SDI 관계자는 "현재는 시제품을 완성한 상태로 완성차와 시험 주행을 검토 중"이라고 말했다.
손미카엘 삼성SDI 중대형전지사업부 전략마케팅팀장(부사장)은 지난 7월 열린 2분기 실적발표 컨퍼런스 콜에서 전고체 개발에 대해 "구체적인 고객명을 밝힐 수는 없지만, 현재 2027년 양산 일정으로 신규 고객사를 확보하고 복수의 완성차 제조사와 협의 중"이라며 "이온 전도도가 가장 높은 기술을 채택해 니켈 함유량을 94%까지 높였다"고 말했다.
이와 관련해 다른 국내 배터리 업체들도 움직임을 가시화하고 있다. LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 배터리를 시작으로 2030년에는 황화물계 전고체 배터리를 차례로 시장에 내놓겠다는 로드맵을 갖고 있다. SK온은 2028년 상용화가 목표다. 현재 미국의 전고체 배터리 스타트업인 솔리드파워와 기존 리튬이온배터리 생산 설비에서 제조할 수 있는 전고체 전지를 개발하고 있다.
현재 도요타가 개발 중인 제품은 충전 시간이 10분 이하고 주행거리는 1200㎞에 달한다. 기존에 출시된 'bZ4X'용 리튬이온 배터리는 충전 시간이 약 30분 걸리고 주행거리가 600㎞에 불과하다는 점을 감안하면 성능이 크게 향상되는 것이다. 2020년 세계 최초로 전고체 배터리를 탑재한 차량으로 시험 주행을 이뤄냈다.
배터리 업계 관계자는 "완성차 업체인 도요타는 자사 자동차에 전도체 배터리를 탑재해 여러 테스트를 빠른 시일 내 시도해 볼 수 있다는 이점이 있다"고 말했다.
다만 전고체 배터리 생산에 성공해도 바로 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 내놓기 어렵다. 고객사인 완성차 업체들과 안전성과 성능을 테스트하고 협의하는 과정만 수년이 걸린다. 리튬이온 배터리 상용화에도 이런 과정을 거쳤다.
비싼 전고체 배터리의 가격 경쟁력도 쟁점이다. 여기에 새로운 제조 공정 시설도 마련해야 한다. 전해질이 고체가 되면 이온의 이동속도가 낮아지면서 전지의 출력이 떨어진다. 배터리의 수명이 줄어드는 점도 전고체 배터리의 단점으로 꼽힌다.
윤성훈 중앙대학교 융합공학부 교수는 "고체 전해질은 양극 계면 사이 저항과 높은 비용, 배터리 수명 등 여러 난제가 존재한다"며 "일본이 오래전부터 연구를 시작했기에 황화물계 전고체 배터리 분야에서 앞서있지만, 관련 설비 대형화 등 빠른 시일 내 리튬이온 배터리를 대체하긴 어려울 것"이라고 전망했다.
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