삼성SDI의 전기자동차 셀 라인업

정의선 현대차그룹 수석부회장이 지난 5월 삼성SDI 천안사업장에서 이재용 삼성전자 부회장과 깜짝 회동을 갖고 전기차 배터리 사업 파트너십을 공식화 했다.

이날 양사 부회장들이 차세대 전기차용 전지인 '전고체 배터리' 개발 현황과 방향에 대해 논의하면서 관심이 커지고 있다. 현재 삼성SDI는 '전고체 배터리'를 2027년 상용화를 목표로 개발하고 있다.

24일 삼성SDI에 따르면 지난 2013년부터 모터쇼나 배터리 관련 전시회에서 중장기 전고체 배터리 기술들을 선보인 삼성SDI는 현재 요소기술 개발단계로 상용화는 2027년 이후로 예상하고 있다.

삼성SDI도 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다. 자체 개발 프로젝트 외에도 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력해 전고체 배터리 기술을 공동으로 개발하고 있다.

지난 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 주행거리 800km, 1000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개하기도 했다.

전고체 배터리의 수명과 안전성을 높이면서도 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 담고 있는 이 연구내용은 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재됐다.

삼성SDI 뿐만 아니라 전고체 배터리는 현재 연구개발 단계이지만 많은 자동차 제조사와 배터리∙소재 업체들은 전고체 배터리 개발에 뛰어들고 있다.

토요타는 2008년에 차세대 배터리 연구소를 출범하며 정부 및 학계와 전고체 배터리를 개발한다고 공식적으로 언급했고, 독일 폭스바겐은 미국의 퀀텀스케이프와 BMW는 솔리드파워와 각각 협력해 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 2025~2026년경 출시할 계획을 밝혔다.

또한 무라타와 히타치, 교세라, 도레이, 스미토모화학 등도 전고체 배터리를 개발하고 있다.

업계에서는 아직 리튬이온배터리를 대체할 만한 수준의 개발이 이뤄지지 않았고, 현재로서는 에너지밀도가 낮고 수명, 가격은 비싸기 때문에 전고체 배터리 양산은 2025년 이후에나 가능할 것으로 전망하고 있다.

리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 구조ⓒ삼성SDI

전기차에 쓰이는 ‘전고체 배터리(All Solid State Battery)’는 전지 양극과 음극 사이의 전해질을 액체에서 고체로 대체하는 차세대 기술이 적용된 전지로 리튬이온 전지 대비 대용량과 높은 안정성을 자랑한다.

전고체 전지가 전기차에 탑재된다면 한번 충전으로 지금보다 더 먼 거리를 안전하게 갈 수 있게된다는게 전문가들의 의견이다.

현재 우리가 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등의 어플리케이션에 사용하는 리튬이온배터리의 경우는 액체 전해질을 사용하고 있다. 리튬이온배터리의 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 양극과 음극 사이를 리튬이온이 이동하면서 전기를 발생시키는 원리다.

이에 반해 전고체 배터리는 바로 이 배터리의 4대소재 중 전해질이 액체에서 고체로 바뀐 배터리다.

리튬이온배터리를 사용함에 있어 사용자들이 가장 우려하는 부분은 바로 안전성이다. 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시 화재나 폭발 등의 위험성이 존재한다.

반면 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있다.

글로벌 배터리 업체들이 차세대 배터리인 전고체 배터리 개발에 역량을 집중하고 있는 이유도 여기에 있다. 바로 전기차용 배터리 용량을 높여야 하기 때문이다.

전기차용 배터리 용량이 늘어나야 하는 이뉴는 주행거리와 자율주행 떄문이다.

현재 운행 중인 전기차의 주행거리는 내연기관차의 600~700km를 따라가지 못한다. 배터리의 용량을 늘리기 위해서는 개수를 늘리는 방법이 있지만 이 경우는 배터리 가격 상승과 공간 효율성을 저해시키기 때문에 실현하기 어렵다.

따라서 기존에 배터리가 발전해왔던 것처럼 에너지 밀도를 높이는 쪽으로 연구개발을 해야 한다.

전고체 배터리는 리튬이온배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤이다.

또 자율주행은 실시간으로 정보를 주고 받고 명령을 내려야 해 차량 내 전력 사용량이 급증하게 되는데 이 경우, 급격한 데이터 사용의 증가로 배터리 용량의 증가는 필수적이다.

삼성SDI 관계자는 "전기차가 더 멀리, 안전하게 주행하기 위해서는 전고체 배터리 개발은 꼭 필요하다"며 "아직은 초기 단계로 상용화까지는 많은 시간과 난관이 있을 수 있지만 삼성SDI는 ‘초격차’ 기술 개발을 위해 최선을 다하겠다"고 말했다.

SNE리서치 연구에 따르면 전고체 전지는 2023년부터 사용이 시작돼 2025년 이후 사용이 본격화 될 것으로 전망된다. 2023년 부터 2030년까지 연평균성장률은 66%로 매우 가파른 성장세가 예상된다.

대형셀 시장의 경우 전고체 전지가 차지하는 비율은 2025년 1.2%, 2030년 3.8%로 전망됐다.소형셀은 2025년부터 본격적으로 성장해 2030년에는 소형셀 시장에서 14% 점유를 차지할 것으로 분석됐다.

전고체 재질 별로는 2020년에는 폴리머형 전지가 주류를 이루며 2025년 이후에는 산화물·황화물 계열 전지가 크게 성장할 것으로 예상된다.

특히 상업화 후 전고체 배터리 시장은 급성장이 전망된다.

한편 삼성SDI는 내년을 목표로 차세대 전기차배터리 제품 ‘젠5’ 본격 공급을 준비하고 있다.젠5는 1회 충전 시 주행가능거리가 현재 양산전기차 20% 높은 수준인 600km 이상 성능을 자랑한다.

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