전세계 전기차 업계의 수요 정체현상이 장기화되고 있는 상황에서 차세대 배터리 시장 주도권확보를 위한 세계 각국의 경쟁이 뜨겁다. 전기차에 들어가는 불 안나고, 힘좋고, 장거리 운행을 보장하는 이른 바 ‘꿈의 배터리’인 전고체 배터리 양산 경쟁 얘기다.

미국, 일본, 중국, 그리고 우리나라의 전기차 제조업체와 전고체 배터리 및 핵심 소재업체들이 2년후인 2027년을 목표로 전고체 배터리 본격 생산 및 적용에 시동을 걸었다.

이들이 특히 집중적으로 생산을 준비중인 것은 황화리튬 기반의 전고체 배터리다. 이 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 2배 더 높은 것으로 알려져 있다.

지난달부터 이달초까지 잇따라 쏟아진 주요 배터리 및 전기차 업체의 전고체 배터리 생산 및 양산 계획 움직임을 보면 중국, 미국, 일본이 상당한 성과를 거두면서 앞서가고 있는 것으로 보여 우리업계의 긴장 수위를 높이고 있다.

특히 최근 독일 메르세데스-벤츠가 미국 배터리 업체와 세계최초로 1000km가까운 주행거리를 실현했다는 보도가 나오고 일본 도요타 제휴업체가 이미 핵심 소재 양산공장을 짓겠다고 나설 정도로 상용화 실현을 전제로 한 움직임이 예사롭지 않다. 물론 시험주행에서 좋은 성과가 나왔다고 해서, 양산 계획을 발표했다고 해서 반드시 그대로 간다는 보장은 없다. 지난해 초 미국 전고ㅂ체 배터리 스타트업 퀀텀 스케이프와 손잡고 기세를 올렸던 폭스바겐의 경우 이후 잠잠한 게 그 예다.

이런 가운데서도 특히 긴장감을 더하는 곳은 정부 지원하에 똘똘뭉쳐 개발중인 중국이다. 중국은 지난해 1월 전고체 배터리 협회를 결성했고 오는 2027년 본격적인 전고체 배터리 생산 및 적용이 가능하다면서 시장 선점을 위한 속도를 높이고 있다. 중국은 기존 시장 우위를 바탕으로 한 투트랙전략을 사용해 시장우위를 지속해 나가는 전략을 채택하고 있다.

인터레스팅 엔지니어링, 야후파이넌스, 로이터, 차이나데일리, 카뉴스차이나 등이 잇따라 쏟아낸 우리를 긴장시키는 전세계 전고체 배터리 개발 및 적용 계획 및 양산 일정을 우리나라 업체와 함께 종합해 봤다.

독일 메르세데스-벤츠, 미국 팩토리얼 에너지, 도요타, BYD, CATL 같은 경쟁국가 브랜드의 이름이 거론된다. 우리나라의 삼성 SDI, SK온, LG에너지솔루션도 활발히 나서고 있다.

독일 메르세데스-벤츠, “세계 첫 전고체 배터리 전기차로 998km 달성”

독일 슈트트가르트에 본사를 둔 메르세데스-벤츠가 세계 최초의 전고체 배터리 전기차로 주행거리 620마일(998km)을 달성했다고 발표하면서 앞선 기술력을 과시하고 있다.

메르세데스-벤츠는 지난달 하순 “글로벌 자동차업체가 제공하는 세계 최초의 전고체 배터리 차량”을 출시했다고 발표했다. 이 업체는 미국 스타트업인 팩토리얼 에너지(Factorial Energy)와 협력해 개발한 전고체 배터리를 장착한 전기차 시제품 EQS가 실제 도로 테스트를 시작했다고 밝혔다.

발표에 따르면 팩토리얼 에너지는 메르세데스-벤츠와 함께 이달 초 세계 최초로 전고체 배터리를 탑재한 전기차의 도로 주행 테스트를 시작했다. 메르세데스-벤츠는 전고체 배터리를 탑재한 개조 EQS 세단의 예상 주행가능 거리가 한 번 충전에 최대 621마일(약 1000km)이라고 설명했다.

이 회사는 발표자료에서 “도로와 경주로에서 메르세데스-벤츠 엔지니어와 팩토리얼 셀 엔지니어가 완전히 새로운 고체 배터리 테스트 프로그램을 제공하기 위해 협력했으며, 이를 통해 리튬 금속 고체 배터리로 구동되는 최초의 자동차가 도로에 출시됐다”고 밝혔다.

EQS의 주행거리는 WLTP(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) 테스트 기준이다. 기존 EQS 450+ 모델보다 25% 이상 개선된 주행거리다. (WLTP 테스트는 자동차의 연비, 배기가스 배출량 및 주행 거리를 측정하는 일련의 테스트다. 이 테스트는 2017년 신유럽 주행 사이클(New European Driving Cycle·NEDC)을 대체하기 위해 도입됐다. 여기에는 실제 주행 조건을 시뮬레이션하는 여러 가지 테스트가 포함돼 있다.) 일반적으로 WLTP 수치는 미환경보호국(EPA) 추정치를 초과하지만, 이 차량은 ​​EPA 기준하에 서도 여전히 527마일(약 848km)의 놀라운 주행거리를 ​​달성할 것으로 예상되며, 이는 루시드의 루시드 에어 전기차 주행거리와 쉽게 맞먹는다.

메르세데스-벤츠는 전고체 팩이 현재 리튬 이온 배터리와 동일한 크기와 중량 요인 내에서 25% 더 많은 주행거리를 ​​제공한다고 말했다. 또 수동 배터리 냉각을 통해 더 많은 중량과 에너지 효율을 달성했다고 밝혔다.

이 회사는 전고체 배터리 팩의 향후 버전에서는 전기차 주행거리를 40%나 향상시킬 가능성이 있다고 말했다.

벤츠가 EQS에 탑재한 배터리는 팩토리얼의 더욱 앞선 ‘솔스티스(Solstice) 전고체 배터리(ASSB)를 통합하기 위한 첫 번째 단계다.

이 배터리는 기존 흑연 음극보다 더 많은 에너지를 저장하는 리튬 금속 음극과 ’부동 셀 캐리어‘를 특징으로 한다.

팩토리얼은 자사 전고체 배터리 충방전 중 재료의 팽창 및 수축을 관리하기 위해 영국 브릭스워스에 있는 자동차스포츠 본사에서 메르세데스의 포뮬러 1 엔지니어가 설계한 공압 액추에이터를 통합됐다.

이 개발 성과는 반고체 배터리에 비해 중요한 발전을 의미한다. 반고체 배터리는 젤과 같은 전해질을 사용하며 이미 중국에서 생산중인 일부 전기차에 탑재되고 있다. 반고체 배터리는 확장성을 위한 더 빠른 (개발 및 생산)경로를 제공하는 반면 진정한 고체 배터리는 성능과 안전성에서 더 큰 도약을 약속한다.

시유 황 팩토리얼 에너지 공동창업자이자 최고경영자(CEO)는 “리튬 금속 고체 배터리를 생산 차량 플랫폼에 성공적으로 통합하는 첫 사례가 되는 것은 전기 이동성 분야에서 역사적인 성과를 나타낸다. 이 획기적인 발전은 고체 배터리 기술이 실험실을 넘어 실제 세계로 진출해 자동차 산업 전체에 새로운 기준을 제시했다는 것을 보여준다”고 말했다.

한편 미국에 본사를 둔 스타트업 퀀텀스케이프는 15분 만에 최대 80%까지 충전되고 800Wh/L의 에너지 밀도를 제공하는 B-샘플 셀의 소량 생산을 시작했다. 야후파이넌스에 따르면 이 회사는 5일(현지시각) 발표된 실적 발표에서 2024년 4분기에 전년 동기보다 약간 늘어난 1억 1500만 달러(약 1670억원)의 순손실을 봤다고 보고했다. 퀀텀스케이프는 기술면에서 지난해 3월 알파-2 전고체배터리 셀 시제품을 출하하면서 이정표를 달성했지만, 여전히 수익을 내지 못하고 있고 매출이 100만 달러(약 14억 5000만원) 미만이어서 투자자들을 좌절시키고 있다. 이 회사는 지난해 7월 폭스바겐그룹 자회사인 파워코(PowerCo)와 솔리드 스테이트 배터리 생산 라이선스에 대한 유망한 계약을 확보했지만, 현재 추정 공정 가치인 15.94달러보다 73.3% 낮은 가격에 거래되고 있어 시장에서의 입지가 복잡해지고 있다.

일본 도요타, 전고체 배터리 제조에 힘 받는다

전고체 배터리 전기차 분야에서 선두를 차지하기 위해 막대한 노력을 하고 있는 주목할 만한 기업으로는 폭스바겐과 함께 세계 1위 자동차 기업 경쟁 중인 도요타가 있다.

도요타 역시 새로운 유형의 전고체 배터리용 양극 소재인 황화리튬을 개발했다고 발표하면서 전고체 배터리 전기차 상용화에서 앞서가는 분위기다.

이 회사의 전고체 배터리 음극 소재(고체 전해질) 공급처는 도쿄에 본사를 둔 석유 대기업인 이데미쓰(出光興産株式会社)다. 이 회사는 전고체 배터리 소재를 대량 생산하기 위한 중간 원료인 황화리튬을 대량 생산하기 위한 시설을 건설하고 있다.

이 회사는 지난달 27일 발표자료를 통해 “우리는 고체 전해질의 중요한 중간 원료인 황화리튬의 생산 능력을 세계 최고 수준(축전지 3GWh 상당/년)으로 확대하고 원료에서 중간재, 그리고 제품까지 통합된 가치 사슬을 구축할 것이다”라고 밝혔다.

이데미쓰는 자동차 제조업체와 배터리 제조업체의 요구를 꾸준히 충족시켜 2027~28년에 전고체 전지를 상용화하고 이후 고체 전해질의 상용화를 가속화할 것이다.

황화리튬(Li₂S) 대규모 시설의 계획된 건설 부지는 이데미쓰 치바 콤플렉스(치바현 이치하라시 千葉県 市原市) 부지 내에 있으며, 2027년 6월에 공사가 완료될 예정이다.

이 회사는 이 계획과 관련, 일본 경제산업성으로부터 ‘축전지 공급 확보 계획’으로 승인됐으며 총 213억 엔의 사업비 가운데 최대 71억 엔 정도를 지원을 받게 돼 있다고 밝혔다.

이데미쓰는 이 시설에서 생산된 황화리튬을 기본 소재로 한 고체 전해질 양산을 가속화하고 다양한 고객에게 고성능 고체 전해질을 광범위하게 공급할 예정이다. 발표 자료에 따르면 이는 축전지 공급망을 강화하고 일본의 축전지 산업 경쟁력을 개선하려는 정부 정책에 기여하게 된다.

도요타는 수년 간 새로운 배터리 기술을 선전해 왔으며 최근들어 어느 정도 진전을 보인 것으로 여겨진다.

도요타는 고체 배터리가 리튬 이온 배터리에 대한 실질적인 대안이 될 것이라고 주장했으며, 보다 효율적인 전기차 전력 전달을 제공하기 위해 전고체 배터리 시제품에 황 기반 전해질을 사용하는 데 주력하고 있다.

이는 최종 사용자 관점에서는 한 번 충전으로 700km를 주행할 수 있다는 것을 의미한다. 약 10~15분 만에 ‘0’에서 ‘완전 충전’을 할 수 있다. 모든 것은 기존 리튬이온 배터리와 달리 안전 우려를 최소화하면서 이뤄진다.

도요타는 자사가 도입하는 전고체 배터리가 전기자동차는 물론 전체 산업에 게임 체인저가 될 것이라고 약속하고 있다.

BYD, 2027년경 전고체 배터리 대량 설치

세계 최대 전기차 업체가 된 중국 BYD는 2년후인 2027년경 전고체 배터리 장착에 나설 계획이다.

쑨화쥔(孙华军) 선전 BYD 리튬배터리 최고기술책임자(CTO)는 지난달 15일 제2회 중국 전고체 배터리 혁신 및 개발 서밋 포럼에서 자사가 지난해 파일럿 생산 라인에서 60Ah 전고체 배터리를 생산했다고 밝혔다. 이 회사는 2027년경 전고체 배터리의 대량 시연과 설치를 시작하고 2030년 이후에는 대규모 설치에 들어갈 예정이다.

또한 쑨 CTO는 장기 개발 관점에서 볼 때 스케일업 후 고체 3원 배터리와 액체 3원 배터리의 가격이 거의 비슷할 수 있다고 예측했다.

지난해 9월 초 쑨은 고체 전지 및 신소재와 같은 차세대 전지의 연구개발(R&D)을 계속 강화할 것이라고 밝혔으며, “황화물 고체 전지가 그 방향 중 하나”라고 말했다. 그는 “2027년에서 2029년이 주로 중급에서 고급 전기 자동차를 위한 황화물 고체 전지의 시범 기간이라고 믿는다. 2030년에서 2032년까지 황화물 고체 전지는 확장 기간에 진입해 주류 전기 자동차에 사용될 것이다”라고 예상했다.

中 업계, 정부의 전폭적 지원에 AI 활용까지

차이나 데일리는 지난달 21일 중국 배터리 업체들은 인공지능(AI) 기술을 활용하는 것을 포함해 전고체 배터리 개발을 가속화하고 2027년까지 소규모 설비를, 2030년까지 대량 생산을 목표로 힘을 합치고 있다고 보도했다. 이 시간표는 BYD를 일본의 도요타와 같은 배터리에 막대한 투자를 하는 글로벌 자동차 제조업체와 직접 경쟁하게 한다.

오우양 밍가오 중국과학원(CAS) 원장 겸 중국 전고체 배터리 산학연 협력 혁신 플랫폼(中国全固态电池产学研协同创新平台·CASIP) 회장에 따르면 AI 시대는 방대한 양의 데이터에 대한 심층적인 마이닝과 분석을 허용함으로써 배터리 R&D에 더욱 강력한 활력을 불어넣었다. 그는 구체적으로 배터리 R&D 효율성을 1~2배 향상시켜 R&D 비용을 70~80% 절감할 수 있을 것으로 예측했다. CASIP는 지난해 1월 CATL과 BYD와 같은 배터리 거대 기업들이 참여한 가운데 공동설립됐으며, 중국에서 전고체 배터리 산학연 협력을 통한 학술 및 산업 발전을 촉진하기 위해 노력하고 있다.

오우양 원장은 “중국의 전고체 배터리에 대한 현재 경로는 황화물 기반 배터리를 개발하는 것이며, 이를 고니켈 3원 양극 및 실리콘-탄소 음극 재료와 결합해 kg당 400와트시(400Wh/kg)라는 에너지 밀도 성능 목표와 1000회 이상의 수명 주기 달성을 목표로 한다”고 말했다.

칭화대 교수인 그는 “이러한 발전으로 2027년까지 전고체 전지의 소량 생산이 용이해지고 2030년까지 대량 생산이 예상된다”고 밝혔다. 이어 “전고체 배터리 개발에 발맞추기 위해 산업 전반에 걸친 기초 소재의 공통 공급망을 구축하는 것 외에도 과학 기반 노력을 위해 대형 언어 모델과 AI를 통합하는 것이 필수적”이라고 덧붙였다. 그는 자신의 팀이 이미 30개 이상의 관련 회사와 협력해 전고체 배터리 수직 분야에서 대규모 모델 개발 및 최적화를 수행했다고 말했다.

오 교수는 “고체 배터리를 위한 AI 대형 모델을 활용함으로써 이 시스템이 다양한 지능형 전문가와 지능형 설계 도구를 제공할 수 있게 되었으며, 이를 통해 재료 시스템, 설계 매개변수, 스마트 최적화 및 공정 추천을 지능적으로 매칭할 수 있게 됐다. 이는 배터리의 R&D 효율을 크게 향상시키고 개발 비용을 70~80% 절감할 수 있다”고 덧붙였다.

중국 최대 국유 자동차 제조업체 중 하나인 FAW그룹(第一汽车集团)의 수석 과학자 왕 더핑도 “FAW는 2027년까지 고체 배터리의 소규모 적용을 달성하는 것을 목표로 한다”고 말했다. 그는 FAW가 2014년부터 전고체 배터리 개발에 전념해 왔으며, 연구를 자동차 제조 부문의 요구 사항에 맞춰 조정하고 있다고 밝혔다.

업계 전문가들은 중국업계가 전기차 배터리 개발에 투트랙 접근 방식을 채택하고 있다고 말했다. 그들은 중국이 세계적으로 우위를 유지하기 위해 액체 리튬 이온 배터리를 계속 개선하는 한편 다른 국가의 방해를 막기 위해 전고체 배터리의 R&D를 강화할 것이라고 말했다.

미아오 웨이 중국 산업및정보기술부(工业和信息化部) 전 장관은 미국, 유럽, 일본, 한국과 같은 경제권이 배터리 산업에서 도약하기 위해 전고체 배터리의 연구 및 상용화를 우선시하고 있으며, 중국 기업들은 경쟁 우위를 보호하기 위해 투자를 늘리고 있다고 말했다. 미아오 전 장관은 “기술적인 과제가 남아 있지만, 비용은 고체 배터리의 광범위한 채택에서 또 다른 핵심 요소다”라고 말했다. 그는 “일반적인 고체 배터리의 재료 비용이 와트시당 2위안(0.28달러)을 초과하는 반면, 액체 리튬 이온 배터리의 와트시당 0.5위안이다. 이로 인해 고체 배터리 팩을 생산하는 데 훨씬 더 많은 비용이 든다. 따라서 가까운 미래에는 액체 배터리와 고체 배터리가 시장에서 공존할 가능성이 높다”고 덧붙였다.

BYD의 수석 과학자, 수석 자동차 엔지니어, 자동차 공학 연구소장인 리안 위보도 전고체배터리 적용 및 상용화 시기와 가격에 대해 “3년은 힘들고 5년은 더 현실적일 것”이라고 예측했다. 그는 또 “비용 및 재료 제어 가능성과 같은 요인으로 인해 리튬 인산철(LiF) 배터리는 향후 15~20년 내에 없어지지 않을 것이다. 고체 배터리는 주로 고급 모델에 사용되며, 리튬 철 인산 배터리로 서로 강화되고 다양한 수준의 차량에 사용된다”고 말했다.

K배터리도 뜨거운 전고체 배터리 경쟁 가세

K배터리 기업들도 차세대 기술 확보에 속도를 높이고 있다.

삼성SDI는 전고체 배터리 상용화 시점을 2027년으로 앞당겼으며, LG에너지솔루션은 2030년·SK온은 2029년을 목표로 잡았다. 특히 국내에서 전고체 배터리 개발에 가장 앞서 있는 삼성SDI는 2022년 3월 국내 배터리 업계 최초로 전고체 배터리 파일럿 라인인 ‘S라인’을 구축해 2023년 6월부터 시제품을 생산하고 있다. LG에너지솔루션은 최근 전고체 배터리의 충전 속도를 10배 높일 수 있는 기술 개발에 성공했다. SK온은 고분자·산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다.

완성차 업체 현대차는 전고체 배터리의 연내 시범 양산에 들어가고, 오는 2030년 본격적으로 양산한다는 목표를 세우고 있는 것으로 알려졌다.

지난해 국내 배터리 3사(삼성SDI·LG에너지솔루션·SK온)의 총 연구·개발(R&D) 투자액은 전년(2조4365억 원) 대비 7.04% 증가한 2조 6080억 원에 이른다. 하지만 기업의 자체적인 노력에도 정부가 지원하는 중국과의 경쟁에는 한계가 있다는 지적도 나온다.

전고체배터리가 뭐길래?

전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하던 기존 액체 전해질을 고체로 대체한 전지를 말한다. 안전성이 우수한 데다가 에너지 밀도가 높고 충전 속도도 빨라 ‘꿈의 배터리’로 불린다.

고체 전해질은 온도 변화에 따른 반응이나 외부 충격으로 인한 누액 위험이 없어 상대적으로 폭발이나 화재 발생 가능성에서도 자유로운 것으로 알려져 있다.

전고체 배터리 팩을 사용하면 기존 리튬 이온 배터리와 비교해 크기나 무게를 추가하지 않고도 주행 거리를 25% 늘릴 수 있다.

하지만 액체 전해질보다 저항이 커 이온 전도도를 높이기에 어려움이 있어 기술 진입 장벽이 높다.

꿈의 전고체 배터리 핵심 재료인 황화 리튬은?

황화리튬(Li₂S)은 전고체 배터리 전해질의 유망 소재인 황화물계 전해질의 핵심 원료다.

하지만 생산 과정 중 매우 위험한 황화수소 발생 가능성 높아 생산을 위해서는 고도의 양산 기술력이 요구된다. ​

전고체 배터리의 핵심 소재인 전고체 전해질은 전 세계적으로 크게 황화물계와 산화물계, 폴리머계로 나뉘어 연구개발이 진행 중이다.

이 가운데 황화물계는 이온전도도가 우수할 뿐만 아니라 분말이 무르다는 특징을 갖는다. 이 때문에 소결 공정(분말에 압력을 가해 단단하게 밀착시켜 하나의 덩어리로 만드는 공정) 없이 상온 가압만으로도 입자 간 접촉력이 우수하다는 특성이 있다.

황화물계는 무엇보다도 고온의 공정 환경이 필요한 산화물계와 이온전도도가 낮은 폴리머계의 단점을 보완하면서 시장에서 전고체 배터리의 핵심 원료로 평가받고 있다.

황화물계 전고체 배터리는 부피당 에너지 밀도가 리튬이온 배터리보다 최소 2배 이상 높다. 즉, 전기차 배터리로 가장 많이 활용되는 리튬이온배터리보다 많게는 두 배 이상의 주행거리를 낼 수 있는 에너지를 보유하고 있다.

하지만 황화리튬은 현재까지 대량 생산되고 있지 않아 가격이 고가에 형성돼 있다. 황화물계 전고체 전해질의 상용화를 위해서는 황화리튬 대량생산이 반드시 필요한 상황이다.