전기차 움켜쥔 韓 배터리,… 미래 모빌리티 패권 '지킨다'

 
 
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차세대 먹거리로 일컬어지는 ‘전기차 배터리’ 시장에서 한국 배터리 3사(LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션)의 성장이 눈부시다. 지난해까지 일본과 중국에 밀려 힘쓰지 못하던 한국 전기차 배터리는 1년 만에 전세를 완전히 뒤집고 선두로 치고 나왔다. 다만 국내 기업 간 ‘자중지란’이 일어나며 앞으로 나갈 타이밍을 잃을 수 있다는 우려도 나온다. ‘머니S’는 미래 경제동력 전기차 배터리를 두고 한·중·일 3국이 펼치는 경쟁과 전기차 배터리의 미래를 살펴봤다. <편집자주>



[커버스토리 - '40조 전기차 배터리시장' 움켜진 한국(3)] 차세대배터리 개발 총력




이한듬_커버스토리_241_삼성SDI가 지난해 1월 미국 디트로이트 모터쇼에 참가해 전기차용 차세대 배터리 기술을 선보였다_사진제공=삼성SDI
주행성능·안정성 대폭 향상 전고체배터리 등 주목


글로벌 친환경 규제 강화와 모빌리티 혁신의 흐름을 타고 전기자동차(EV)시장이 급성장하면서 배터리의 발전 방향에도 관심이 집중된다. 배터리는 휘발유나 경유로 운행되는 내연기관차의 성능을 대체할 ‘전기차의 심장’으로 사실상 미래 모빌리티시대의 패권을 가를 게임체인저다.

현재로선 리튬이온배터리(LIB)가 시장의 주류지만 한번 충전으로 갈 수 있는 거리가 내연기관 차량에 비해 짧고 성능향상에 한계가 있어 글로벌 완성차업체와 배터리업체를 중심으로 차세대배터리에 대한 연구개발(R&D) 움직임이 활발하다.



리튬이온 성능 넘을 배터리는


시장조사업체 SNE리서치에 따르면 글로벌 전기차용 리튬이온 배터리 수요는 2030년 3066GWh에 다다를 전망이다. 2018년 전기차용 리튬이온배터리 수요가 처음으로 100GWh를 돌파한 점을 고려하면 10여년 만에 30배 이상 급성장하는 셈이다. 3066GWh는 순수 전기차인 현대차의 코나(기본형)나 기아차의 니로의 배터리 용량 64kwh를 기준으로 4790만대가량 장착할 수 있는 물량이다.

하지만 현재 리튬이온배터리의 성능은 내연기관차를 완전히 대체할 수준은 아니다. 통상적으로 내연기관차는 연료통에 연료를 가득 채웠을 때 600~700km의 거리를 주행하지만 전기차는 최대 400km대에 그친다. 2010년도 초반에 100km대이던 점과 비교하면 많은 개선이 이뤄졌지만 여전히 내연기관차의 주행거리에는 미치지 못한다.

특히 액체나 젤 형태의 전해질을 사용하는 리튬이온배터리는 충격이나 압력으로 인한 발화 가능성이 높고 충전 소요시간이 길어지는 취약한 문제점도 있다. 실제 2018~2019년 에너지저장장치(ESS)용 리튬이온배터리에서 잇따라 화재가 발생해 정부 차원의 원인조사가 이뤄지기도 했다.

산업연구원(KIET)은 ‘국내 이차배터리산업 현황과 발전과제’ 보고서에서 앞으로 5~10년 이내 리튬이온배터리가 용량의 한계점에 도달할 것으로 전망했다. 관련업계가 차세대배터리 개발에 나선 이유도 이 같은 리튬이온배터리의 한계를 극복하기 위해서다.

리튬이온배터리를 넘어설 차세대배터리로는 전고체배터리, 리튬공기배터리, 리튬황배터리, 소듐(나트륨)이온배터리 등이 있다. 이 중에서도 전고체배터리가 가장 유망한 리튬이온배터리의 대체재로 주목받는다.

전고체배터리는 기존 리튬이온배터리의 양극과 음극 사이에 액체전해질과 분리막을 고체전해질층으로 바꾼 것이다. 액체 전해질을 세라믹, 고분자 등의 고체로 대체해 발열과 인화성을 대폭 줄이고 안정성을 대폭 높일 수 있다.
충전 역시 5분 만에 80%가량이 가능한 것으로 알려졌으며 주행거리도 리튬이온배터리의 2배 이상에 달한다. 한번 충전으로 서울에서 부산을 여유 있게 왕복할 수 있는 셈이다.

용량·부피·형태 등을 설정하기 상대적으로 자유로워 구부리거나 접을 수도 있어 플렉서블배터리 개발에도 활용할 수 있다. 이 같은 특성을 고려하면 4차 산업혁명을 계기로 개발될 다양한 형태의 미래 모빌리티에 적용이 가능할 것으로 예상된다.



국내 전고체 개발 어디까지 왔나


현재 전고체배터리의 선두주자는 일본 도요타다. SK증권 스마트시티TF에 따르면 도요타는 1995년부터 전고체배터리와 관련한 특허권을 확보하기 시작했고 2010년 이후 국가단위 산학 대규모 협력체, 소위 ‘올 재팬’ 전략으로 황화물계 전고체배터리를 개발했다.

전고체배터리 연구소 건립에만 1조5000억엔(약 1조6000억원)을 투자해 전세계에서 가장 많은 233개 전고체배터리 관련 특허를 보유했다. 도요타는 올 8월 전고체배터리 양산형을 공개할 예정이며 이를 탑재한 전기차를 2022년 출시할 계획이다. 무라타와 히타치, 교세라, 도레이, 스미토모화학 등 다른 일본업체들도 전고체배터리를 개발하고 있다.

독일의 폭스바겐과 BMW는 각각 미국의 퀀텀스케이프와 솔리드파워와 협력해 전고체배터리를 탑재한 전기차를 2025~2026년 출시할 계획이다.

삼성전자 종합기술원이 공개한 전고체전지 기술 / 사진제공=삼성전자
국내에선 현대자동차가 가장 적극적인 투자를 진행하고 있다. 현대차는 남양R&D센터 배터리선행개발팀에서 전고체배터리와 관련한 R&D를 진행 중이며 2018년 미국 전고체배터리 개발 업체인 아이오닉 머티리얼스, 솔리드파워에 투자했다. 현대차는 2025년 전고체배터리 양산을 본격화할 방침이다.

삼성전자, 삼성SDI, LG화학, 등도 전고체배터리 개발을 진행 중이다. 삼성전자의 경우 현대차와 마찬가지로 2018년 미국 솔리드파워에 지분을 투자했다. 올 3월 삼성전자 종합기술원이 1회 충전에 800km 주행, 1000회 이상 배터리 재충전이 가능한 전고체배터리 연구결과를 공개했다.

업계에선 국내 시장의 전고체배터리 양산은 2025년 무렵에나 가능할 것으로 본다. 유지상 전자부품연구원 차세대배터리연구센터장은 “아직은 리튬이온배터리를 대체할 수 있을 만한 수준의 제품 개발이 이뤄지지 않았다”며 “전고체배터리를 포함해 여러가지 차세대배터리에 대한 연구가 진행되긴 하지만 현재로선 에너지밀도가 높으면 수명이 짧거나 가격이 비싼 문제가 있어 기술적인 난제를 해결해야 한다”고 설명했다.

이어 “제조원가나 성능 면에서 개선점이 필요하다”며 “국내에서 전고체배터리가 상용화되기까지는 5~6년가량의 시간이 소요될 것으로 보인다”고 덧붙였다.

☞ 본 기사는 <머니S> 제644호(2020년 5월12~18일)에 실린 기사입니다.
 

이한듬 mumford@mt.co.kr  | twitter facebook

머니S 산업팀 기자입니다. 많은 제보 부탁드립니다.

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