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[글로벌 배터리 대전 (20)] 반고체 배터리 (上) - 중국 CATL 반고체 배터리 상용화
최봉 산업경제 전문기자
입력 : 2024.09.09 00:30
ㅣ 수정 : 2024.09.09 00:30
[기사요약]
반고체 배터리(전고체 전환을 위한 디딤돌)에서 중국 업체들 두각
중국의 전기차 OEM Nio, 배터리 스타트업과 공동으로 개발한 반고체 배터리 장착 모델 출시 예정
CATL, 2,3세대에서는 리튬메탈 음극과 황 양극을 각각 적용할 예정
중국 배터리 업체 EVE, CALB 및 Sunwoda에서도 반고체 배터리 개발 중
21세기 4차 산업혁명 시대에 ‘산업의 쌀’인 반도체와 더불어 배터리는 가장 중요한 품목이다. 단순히 스마트 폰의 전력원을 넘어서 탄소중립을 위한 ESS(에너지저장장치)의 핵심일 뿐만 아니라 향후 UAM(Urban Air Mobility) 등 미래 모빌리티 방향을 이끌 중핵으로 부상하고 있다. 현재 글로벌 배터리 대전에서 선두는 중국의 CATL이다. 한편 기술적으로 앞서 있는 우리나라의 LG에너지솔루션, 삼성SDI 및 SK온 등의 추격을 받고 있어 글로벌 경쟁구도는 중국의 CATL, BYD 등과 우리나라 3사로 압축된다. 그러나 차세대 전고체 배터리 기술에서 앞서 있는 글로벌 3위 파나소닉 등 일본 기업도 배제할 수 없다. CATL을 필두로 국내 3사를 포함하여 세계 주요 기업들이 벌이고 있는 글로벌 배터리 대전의 양상을 살펴보고 우리 기업들의 대응 방향을 모색해 본다. <편집자 주>
[뉴스투데이=곽대종 산업연구원 명예 KIET Fellow] 최근 국내외에서 빈발하는 전기차 화재로 인해 전기차 배터리의 안전성 이슈가 중요해짐에 따라 전해질이 액체와 고체가 혼합된 형태로 된 반고체 배터리가 주목받고 있다.
특히 전고체 배터리의 상용화에 아직 시간이 필요하기 때문에 반고체 배터리의 시장화 가능성에 글로벌 주요 배터리 기업들이 관심을 갖고 있는 가운데 중국 배터리 및 전기차 업체들의 움직임이 두드러지고 있다.
전기차 OEM 기업인 Nio와 배터리기업인 CATL과 EVE가 그들이다.
• 반고체 배터리, 안전성은 물론 주행거리 연장, 충전속도 및 저온에서의 성능 저하 극복으로 주목
기존의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 중간에 두고 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하여 충/방전이 이루어진다.
반면 전고체 배터리는 전해질을 고체로, 반고체 배터리는 고체와 액체 중간형태인 젤 형태나 고체와 액체가 혼합된 형태의 물질을 사용한다.
따라서 전해질이 액체인 기존의 리튬이온 배터리에 비해 화재 및 폭발 위험성은 반고체, 전고체 순으로 낮아진다.
반고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 전기차의 주행거리를 높일 수 있는데 이는 차세대 음극 적용을 통해 기존 리튬이온 배터리보다 높은 에너지밀도를 가질 수 있기 때문이다.
또한, 반고체 배터리의 차세대 음극 소재는 충전속도 향상에도 강점이 있다. 현재 전기차 급속 충전의 경우 약 20분이 소요되는 데 반해 차세대 음극을 적용한 반고체 배터리는 이론적으로 5분에 불과한 것으로 알려졌다.
뿐만 아니라 반고체 배터리는 저온에서의 성능 저하를 개선할 수 있다고 하는데 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 배터리의 경우 저온과 고온에서의 이온 전도도가 크게 낮아지는 단점이 있는 반면 고체 전해질을 일부 포함한 반고체 배터리의 경우 저온과 고온에서 이온 전도도가 어느 정도 유지되기 때문이다.
• 중국의 전기차 OEM Nio, 반고체 배터리 장착 ET7 출시 예정
나스닥 상장기업이기도 한 Nio는 배터리 스타트업 WeLion과 공동으로 개발한 반고체 배터리를 자사 전기차 모델인 ET7에 탑재하여 하반기에 출시할 예정이다.
260Wh/kg의 에너지밀도를 가진 WeLion의 반고체 배터리 팩은 최대 1055km의 주행거리를 제공한다고 알려졌다. 자체 테스트 결과 배터리 용량이 3% 남을 때까지 총 1044km를 주행하는 데 성공했다.
이 팩은 특히 일반 전기차 배터리보다 6배 큰 냉각 시스템을 갖추고 있으며 기존 Nio의 100kWh 배터리 팩보다 불과 20kg이 무거울 정도로 에너지밀도가 높다. BYD의 133.5kWh LFP 배터리가 903kg인 점을 감안하면 거의 2/3 정도이다.
Nio ET7 전기차의 반고체 배터리가 특히 주목되고 있는 것은 배터리를 구독 시스템을 바탕으로 배터리가 교체되므로 소비자의 안전성 우려를 불식시킬 수 있는 점이다.
• 소형 민간전기여객기에 적용 중인 CATL외에 EVE에너지 등도 반고체 배터리 출시 계획
부동의 배터리 1위 기업 CATL은 2년전 세계 친환경차 컨퍼런스에서 기존 리튬이온 배터리보다 높은 에너지밀도를 갖는다는 ‘응축배터리(Condensed Battery)’ 개념을 제시하여 주목을 받았다.
CATL의 이 배터리는 리튬메탈 음극을 적용하여 기존 리튬이온 배터리의 이론적 한계로 알려진 350Wh/kg을 대폭 상회하는 500Wh/kg을 갖고 있다고 발표했다.
CATL은 중국 국영 상용항공기 기업 COMAC과의 협력을 통해 항공기용 응축배터리를 개발 중인 것으로 4톤 무게의 전기여객기에 장착해 시험비행하는 데 성공했으며 3~4년 내로 비행거리 약 2천~3천km 정도의 8톤 민간여객기에 장착하는 것을 목표로 개발 중이다.
CATL의 응축 배터리는 전도성이 높은 생체 모방 응축 상태 전해질을 활용해 체인 간의 상호 작용력을 조정할 수 있는 마이크론 수준의 자체 적응형 그물 구조를 구성함으로써 배터리의 전도성능을 개선하고, 미세 구조의 안정성을 높이는 동시에 리튬이온 이동의 효율성을 향상시킨다고 알려졌다.
CATL은 지난해 상하이 모터쇼에 자사의 응축배터리를 공개한 바 있다. CATL은 현재 1세대 반고체 배터리에서는 전해질만 반고체로 적용하고 향후 2,3세대에서는 리늄메탈 음극과 황 양극을 각각 적용하여 500Wh/kg의 에너지밀도 목표를 달성할 계획이다.
한편 중국 5위의 배터리 기업 EVE에너지는 외부 충격에 약한 파우치형 배터리를 개선하여 안전성이 강화된 반고체 배터리를 개발하고 있는데 2026년에 프리미엄 전기차에 탑재하는 것을 목표로 OEM업체와 협의하고 있으며 향후 5년 이후 양산체제를 구축하여 보급형 전기차에도 반고체 배터리를 적용할 계획이다.
이외에 다른 중국 배터리 5위 수준에 있는 CALB 및 Sunwoda 역시 파우치형 반고체 배터리를 개발하고 있다.
다음에는 국내 업체들의 반고체 배터리 개발 동향을 살펴본다.
[정리=최봉 산업경제 전문기자]
◀ 곽대종(Daejong Gwak) ▶ 한국외국어대학교 경제학박사 / 산업연구원 명예 KIET Fellow / (전) 산업연구원 연구위원 / (전) 한국자동차산업협회 환경·기술분과 위원 / (전) 국가과학기술위원회 평가위원 / (전) 산자부 연구개발사업 평가위원 / (전) 규제개혁위원회 전문위원
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