1회 충전에 1000㎞ 주행, 슈퍼 배터리가 몰려온다

전고체와 성능 비슷, 상용화 앞선 반고체 배터리
中 니오에 채택, 주요 車기업들 주목
세계 1위 기업 CATL도 연내 상용화 발표
美 24M 기술 이용 교세라·프레이어 생산 계획
현대차도 반고체 배터리에 투자

‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체(solid state) 배터리의 대안으로 반고체(semi-solid state) 배터리가 떠오르고 있다. 반고체 배터리는 1회 충전에 1000km까지 주행할 수 있는 기술 단계에 이른 데다 충전속도와 안정성도 현재 리튬이온배터리보다 개선됐다. 테슬라 모델S의 주행거리 640㎞를 뛰어넘는다. 전세계 자동차 기업들이 반고체 배터리를 주목하는 이유다.

중국의 배터리 기업인 위라이언(Welion)의 리홍 창업자는 지난 7일(현지시간) 블룸버그와의 인터뷰에서 “폭스바겐, 포드, 메르세데스-벤츠, 지리자동차 뿐 아니라 중국 전자기기 업체인 샤오미까지 자사의 반고체 배터리에 관심을 보이고 있다”고 말했다.

”폭스바겐, 포드, 벤츠 등 中 기술에 관심”

위라이언은 지난달 중국 전기차 업체 니오의 ES6 스포츠유틸리티차량(SUV)에 150킬로와트시(kWh) 용량의 배터리팩을 공급한 기업이다. 기존 ES6에 탑재됐던 75kWh보다 용량이 두배로 늘었다. 이를 통해 한번 충전에 최대 1000㎞까지 주행이 가능하다고 니오 측은 설명했다.

위라이언이 ES6에 공급한 배터리는 반고체 배터리다. 이 배터리는 킬로그램당 360 와트시(Wh/㎏)의 에너지 밀도를 갖추고 있다. 이는 테슬라 원통형 배터리 4680의 에너지밀도(300Wh/㎏)를 크게 웃돈다. 블룸버그 NEF의 쉬지아위엔 연구원은 “위라이언이 반고체 배터리 상용화에 성공한 첫번째 기업은 아니지만 360Wh/㎏의 에너지밀도는 현재 전기차용 배터리중 가장 높은 수준”이라고 설명했다.

위라이언은 반고체 배터리 공급을 확대하기 위해 중국에 4개 공장을 증설할 계획이다. 이를 통해 현재 6기기와트시(GWh)인 연간 생산량을 2025년까지 30GWh로 늘릴 계획이다. 2025년까지 매출을 100억위안(약 1조8100억원)까지 확대해 그해 증시에 상장하겠다는 목표도 밝혔다.

반고체 배터리는 리튬이온배터리에 있는 액체 상태의 전해질을 젤이나 점토, 레진(수지) 형태로 바꾼 것이다. 액체 전해질은 전자의 이동이 쉬워 에너지 효율성이 좋지만 수명이 짧고 고열에서 화재 위험을 안고 있다.

학계와 기업들은 리튬이온배터리의 취약점을 극복하기 위해 전해질을 고체로 바꾼 전고체 배터리를 개발하고 있다. 용량과 충전속도를 개선하고 화재 위험성을 줄인 전고체 배터리는 ‘꿈의 배터리’ 혹은 ‘게임체인저’로 불린다. 하지만 기술적으로 아직 해결하지 못한 문제가 많아 상용화까지는 갈 길이 멀다는 평가다.

일본 도요타는 10분 충전에 1200㎞를 주행할 수 있는 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 2025년 출시할 계획이다. 국내에서는 삼성SDI가 2027년 상용화를 목표로 전고체 배터리를 개발하고 있다.

그사이 등장한 반고체 배터리는 전고체배터리와 거의 맞먹는 성능을 보이며 전고체 배터리의 대안으로 인식되고 있다. 상용화시점이 불분명한 전고체 배터리와 달리 반고체 배터리는 이미 상용화에 성공했거나 상용화 직전 수준까지 와 있기 때문이다.

에너지분야 글로벌 컨설팅기업인 우드맥킨지는 지난해 펴낸 보고서에서 “지난 10년간 전고체배터리에 대한 약속이 지속됐으나 눈에 띄는 성공을 보여주지 못했다”며 “반고체 배터리가 대안이 될 수 있다”고 밝힌 바 있다.

美?日?유럽 기업들 잇달아 선보일 듯

위라이언을 시작으로 전기차용 반고체 배터리는 속속 등장할 전망이다. 세계 1위 배터리 기업인 중국 CATL은 지난 4월 상하이 오토쇼에서 에너지밀도 500Wh/㎏의 ‘응축 배터리(condensed Battery)’를 연내 출시하겠다고 밝힌 바 있다. 업계에서는 CATL이 얘기한 응축 배터리를 반고체 배터리로 받아들이고 있다.

미국에서는 매사추세츠공과대학(MIT)에서 분사한 벤처기업 24M테크놀로지가 반고체배터리 개발을 주도하고 있다. 일본 교세라, 후지필름이 이 회사에 지분을 투자했다. 교세라는 2021년 24M의 기술을 이용해 에너지밀도 140Wh/㎏의 제품을 선보이기도 했다. 교세라는 2025년까지 성능이 개선된 제품을 출시할 계획이다.

24M은 현재 400~500Wh/㎏의 에너지밀도를 구현했으며 기존 리튬이온배터리에 비해 생산비용을 40% 절감할 수 있다고 강조하고 있다. 또 구리와 알루미늄과 같은 비활성금속의 사용을 80% 줄일 수 있다고 설명하고 있다.

노르웨이에 본사를 둔 프레이어 (Freyr)역시 24M의 기술을 이용한 반고체 배터리를 상용화할 계획이다. 이 회사는 지난해 11월 미국 조지아주에 17억 달러를 투자해 반고체 배터리 생산 공장을 짓겠다고 발표하기도 했다. 초기 생산 규모는 34GW다. 폭스바겐, 루카스TVS, 악시바(Axxiva)도 24M과 라이선스 계약을 맺었다.

현대차는 반고체 기반 리튬메탈에 투자

국내에서는 현대차가 리튬메탈을 이용한 반고체 개발에 적극적이다. 현대차그룹은 경기의왕연구소를 반고체 기반의 리튤메탈 배터리의 연구?개발?평가 거점으로 활용할 계획이다.

현대차는 2021년 미국의 리튬메탈 배터리 제조사인 솔리드에너지시스템(SES)에 약 1억달러를 투자한 바 있다. SES는 내년 현대차그룹에 전기차용 샘플을 공급할 계획이다.

리튬메탈 배터리는 음극재에 고성능 리튬 메탈을 적용했으며 전해질로는 액체와 고체 중간 형태인 유기용매를 사용했다. 이를 통해 에너지 밀도를 400Wh/㎏까지 끌어올렸다. 현대차는 리튬메탈 배터리를 전기차뿐 아니라 도심항공교툥(UAM), 목적기반차량(PBV) 등에도 활용할 계획이다.

강희종 기자 mindle@asiae.co.kr