전고체 배터리 관련주 고체 전해액에 대해서 알아보겠습니다.
전고체 배터리는 이전 포스팅에서 양극제와 음극제보다 기존의 분리막과 액체 전해질이 없어지고 고체 전해질로 대체된다고 말씀드렸는데요..고체전해질은 액체+분리막 형태인 현재의 리튬이온 배터리의 화자에 대한 문제점을 해결할 수 있는 대안이 되고 있지만 아직은 연구개발 중이고 상용화에 대한 준비 단계라 가격경쟁력이 약하다는 단점을 가지고 있습니다. 그러하다면, 고체 전해질은 어떤 종류가 있고 어떤 회사에서 지금 개발 중이거나 개발완료 되었는지 등등에 대해서 살펴보겠습니다.
전고체 배터리 개발중인 기업은?
전고체 배터리 전해액개발과 관련해서는 4개의 회사가 거론되고 있습니다. 이수화학, 한농화성, 덕산테코피아, 동화기업 등입니다. 각 회사별로 보도자료 및 사업보고서 등을 통해서 알려진 사실들을 나열해 보겠습니다. 이수화학은 황화물계 고체전해질의 원료인 황화리튬(Li2S)의 생산을 위한 데모설비를 구축을 했고, 규모는 20톤 규모이며 이 설비는 2022년 10월 구축완료 후 11월부터 시운전을 시작하였습니다. 한농화성은 LG화학과 관련이 있는 업체로써 전고체배터리를 공동으로 개발중이며, 국책과제 "'리튬금속고분자전지용 전고상 고분자 전해질 소재 합성 기술과 상용화 기술 개발'의 주관기업입니다. 덕상테코피아는 2022년 9월 전고체 배터리 업체인 "세븐킹에너지"를 인수하여 전고체 배터리분야에 진출하였습니다. 동화기업은 전고체배터리용 전해액 연구 국책과제 업체로 선정되어 연구 중이며, 2019년 2차 전지 소재인 전해액을 생산하는 "파낙스이텍"을 인수합병하여 전고체 배터리용 전해액 분야에 진출하였으며, 삼성SDI와 SK이노베이션 등을 국내 배터리 제조업체를 고객사로 두고 있습니다. 그 외 씨아이에스도 거론되고 있으나 별다른 개발 관련 소식은 제가 아는 바가 없습니다.
전고체 배터리의 핵심인 고체전해액의 종류는?
전고체배터리는 양극와 음극사이에 고체로 된 고체 전해질을 사용하는 전지입니다. 우리가 흔히 알고 있는 충·방전이 가능한 2차 전지는 리튬이온전지다. 리튬이온전지는 양극과 음극, 분리막 그리고 액체 전해질로 구성됩니다. 그런데 전고체배터리는 액체 전해질과 분리막을 대신해서 고체 전해질이 들어갑니다. 그런데 전해질이 고체이다보니 이온이 왔다갔다 하는 것이 액체에 비해서 낮은 것, 즉 이온전도도라는 것이 리튬이온 배터리에 비해서 상대적으로 낮은 것이 단점입니다. 이러한 이온전도도를 높이는 것이 고체 전해질 개발에 있어서 핵심기술이 됩니다. 고체 전해질 재료는 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계가 있습니다.
전고체 배터리의 고체 전해액은 기술적 특징은 무엇이며, 어느기업이 개발 중인가?
황화물계의 가장 큰 장점은 이온전도도가 높다는 것이 특징입니다. 또한 황화물은 연성이 있어서 전극과 전해질 간 접촉이 비교적 쉽다는 점이 다른 재료에 비하여 우수하다고 평가받는 이유 중에 하나입니다. 그러나, 황 자체가 물과 반응하면 황화수소라는 유독가스가 발생하기 때문에 제조 과정에서 독성물질이 나올 수 있다는 단점도 존재합니다. 산화물계는 황화물계가 가진 안전성 문제를 해결할 수 있지만 황화물과 달리 전해질과 전극의 접촉이 어렵습니다. 그래서 산화물계 전고체배터리에는 1000도 이상의 고온소결 과정이 들어가야 합니다. 폴리머계는 산화물계와 황화물계를 같이 융합한 형태입니다.
보고된 바로는, 전고체배터리 연구를 진행 중인 글로벌 기업은 총 54개사 정도입니다.
기술적으로 가장 앞서가고 있는 일본이 황화물계에 분야에 상당한 기술력을 보유하고 있습니다. 도요타는 2000년대 초반부터 황화물계 기반 전고체 전지 연구를 시작했고 2000여 건의 관련 특허를 보유하고 있으며, 미국에서는 솔리드파워가 황화물 기반 전고체배터리를 개발하고 있고, 국내에서는 삼성SDI와 LG에너지솔루션이 황화물계 상용화를 목표로 개발에 속도를 내고 있습니다. 전고체배터리 분야 석학인 간노 료지 일본 도쿄공업대 교수는 한 언론과의 인터뷰에서 “산화물계는 작은 칩형의 웨어러블기기에, 황화물계는 전기차 등에 사용될 것”이라고 밝힌 바 있다. VHS가 베타맥스를 100% 대체했던 것과 달리 산화물과 황화물은 각기 알맞은 분야에서 공존할 가능성이 높다는 뜻입니다.
산화물계 대표 주자는 미국의 퀀텀스케이프다. 글로벌 자동차업체 폭스바겐과 빌 게이츠 마이크로소프트 창업자가 투자한 곳으로 유명합니다. 현대차는 미국 전고체배터리 업체 솔리드에너지시스템(SES)과 솔리드파워에 투자했고, 솔리드에너지시스템은 SK로부터도 투자 유치를 받은 적이 있습니다. 포스코는 대만의 프롤로지움과 손잡고 전고체배터리를 준비하고 있으며, 국내 스타트업 중에선 솔리비스가 황화물계 기반 전고체전해질을 개발하고 있고, 티디엘은 산화물계 기반 전고체배터리 양산체제를 구축한 것으로 알려져 있습니다.
기존의 리튬이온전지에 대한 시장확대와 함께 지속적인 성능개선이 이루어지고 있어 단기간내에 전고체 전지로의 시장전환은 어려울 것으로 전망
전기차 시장의 확대에 따라 글로벌 배터리 제조사들은 리튬이온 기반의 전기차 배터리 시장 선점을 위해 공격적인 대규모 설비투자를 진행 중에 있습니다. 국내 배터리 3사의 경우 2019년 당시 LG화학은 폴란드 공장 준공 이후 인근지역에 지속적인 증설을 추진 중이고, 삼성SDI도 헝가리 1공장의 2배 규모의 2공장 신설을 진행중이며, SK이노베이션도 2022년 준공 예정인 미국조지아 1공장에 이어 2공장 건설에 착수하였습니다. 그 외에도 중국 CATL은 중국본사가 위치한 닝더시 첼리완 폰드와 쓰촨성 이빈에 100억위안(약 1.7조원)을 투입해 배터리 생산공장을 추가 건설 중입니다.
언론에 발표된 자료를 참고하면, 주요 배터리 제조사의 설비 투자 현황은
(1) LG화학 - 폴란드 브로츠와프 공장(70GWh)
- 미국 오하이오 공장(30GWh, GM합작) 70GWh(2019) 150GWh(2023E)
(2) 삼성SDI - 헝가리 괴드 공장(증설 및 2공장 신설)
- 중국 시안, 톈진공장 증설 20GWh(2019) 100GWh(2023E)
(3) SK이노베이션 - 미국 조지아 1공장(9.8GWh), 2공장(11.7GWh)
- 헝가리 코마롬 1공장(7.5GWh), 2공장(9GWh) 30GWh(2019) 100GWh(2023E)
(4) CATL - 후베이(16GWh), 장쑤성(24GWh), 쓰촨성(12GWh) 공장 신설 60GWh(2019) 150GWh(2023E)
리튬이온 배터리의 양극재 개발기술의 발전에 따른 전기차의 주행거리가 향상
리튬이온전지의 양극재의 성능개선으로 2014년 초기에는 120km였던 전기차 주행거리가 현재 400km까지 향상되어 주행거리 불안기준치(충전을 하지 못했을 때 전기 부족으로 중간에 차가 멈출 수 있다는 불안심리)인 200마일(320km) 초과하였습니다. 최근엔 주행거리 500Km이상(양극재의 종류: NCM811, 400~500km)의 전기차도 출시되고 있어 내연기관차량과의 격차가 현격히 줄어드는 추세입니다.
전고체 배터리의 상용화 시기는?
전고체 전지의 상용화는 대략 2030년 대형 상용차량을 중심으로 이루어질 것으로 전망됩니다. 시장형성 초기에는 먼저 전기버스 같은 대용사용차량에 적용되어 안정성과 신뢰성을 먼저 축적하고 이후 승용차나 중소형 기기로 적용범위를 확대할 것으로 예상됩니다.
전문가들의 의견에 다르면 전고체 전지의 기술적인 문제를 해결하는 데 약 4~5년, 양산기술을 개발하는 데 2~3년의 시간이 필요한 점을 고려할 때 전고체 배터리의 본격적인 시장형성을 2030년 근처로 예상하고 있습니다.
전고체 전지 개발을 추진 중인 주요 일본기업
도요타 : 2025년 상용화를 목표로 개발 중이며 용도는 전기차이다.
TDK : 손가락에 올릴 수 있는 작은 소형사이즈를 개발 중이며, 적용대상은 가전, IoT(사물인터넷)분야이다.
히타치조선 : 고체분말 배터리재료를 이용하는 벌크형을 개발 중이며, 항공이나 우주용으로 사용하기 위해 개발 중이다.
NGK: 고온에서 사용할 수 있는 칩 타입을 개발 중이며, 스마트카드와 웨어러블 단말기를 위한 용도를 개발 중이다.
현재 상용화에 가장 근접한 전고제 배터리는?
전고제 전지의 상용화를 위해서는 현재 투자된 리튬이온전지의 생산라인을 전고체 전지 생산에도 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 제조 공정의 개발이 매우 중요한 이슈 중에 하나이다. 상용화에 가장 가깝게 근접했다고 평가되는 황화물계 전고체 전지의 경우에는 건식공정을 적용할 경우 유독성 황화합물이 발생하기 때문에 그것을 처리할 수 있는 환경설비 등 신규설비 도입에 준하는 대규모 투자가 필요합니다.
기존의 투자된 생산라인에 대한 감가상각 혹은 투자비를 회수하기 전에 전고체 배터리에 대한 대규모 투자가 이루어질 경우 현재 시장을 주도하고 있는 배터리 업체에서는 막대한 손실을 떠안아야 하는 문제가 있어 전고체 배터리의 기술이 완성된다고 하더라도 양산 및 상용화에 이르기까지는 어느 정도의 시간이 소요될 것으로 예상된다.
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끝.
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