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<ⓒ게티이미지뱅크>

세계 각국의 환경규제로 전기차를 비롯한 친환경차에 대한 소비자 관심이 높아졌습니다. 각국은 보조금과 충전 인프라 확대 등을 통해 구매 촉진 전략을 전개하고 있습니다.

내연기관차 심장이 엔진이라면 전기차 심장은 배터리입니다. 현재 판매되는 대다수 차는 리튬이온 배터리를 탑재하고 있습니다. 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성됩니다. 리튬이온이 액체로 된 전해질 사이를 음극에서 양극으로, 양극에서 음극으로 이동하며 전기를 발생시킵니다.

액체로 된 전해질은 리튬이온이 양극과 음극을 자유롭게 오갈 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 액체 전해질을 사용하기에 열화(화재) 위험이 있다는 게 단점입니다. 온도에 따라 팽창하거나 외부 충격으로 전해질이 새어 나올 수 있기 때문입니다.

배터리 업계는 이 같은 문제점 해결을 위해 다양한 연구개발(R&D)을 진행하고 있습니다.

차세대 배터리 대표 주자는 전고체 배터리입니다. 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극 사이에 이온을 전달하는 전해질을 액체 대신 고체로 이뤄져 있습니다.

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<게티이미지뱅크>

Q: 전고체 배터리 특징은 무엇인가요.

A: 일정한 틀이 없다면 흩어지는 액체와 달리 고체라는 점에서 구조적으로도 안정적입니다. 양극과 음극이 서로 접촉하는 것도 사전에 차단할 수 있고 전해액이 훼손되더라도 그 형태를 유지할 수 있습니다. 전고체 배터리는 열에도 강하고 구멍이 나더라도 열화되지 않습니다. 뉴스에서 보도되는 전기차 화재 위험이 적어 소비자도 안심할 수 있습니다.

전고체 배터리 경우 형태도 변형이 가능합니다. 얇게 만들어 구부리는 등 용도에 따라 형태를 자유자재로 바꿀 수 있습니다.

성능 개선도 기대할 수 있습니다. 고체 전해질은 0도 이하 저온이나 60~100도 고온에서 액체 전해질보다 전도 성능도 높습니다. 리튬이온 배터리와 달리 분리막이 따로 필요하지 않아 배터리 크기까지 줄일 수 있습니다. 리튬이온 배터리와 동일한 크기로 만든다면 배터리 용량을 늘릴 수 있습니다. 전기차 구매에 필수 고려 요소인 1회 충전 시 주행거리를 큰 폭으로 개선할 수 있습니다.

충전 시간도 짧아집니다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리와 동일한 충전까지 소요되는 시간이 8분의 1 수준으로 줄일 수 있다고 알려졌습니다.

반면에 리튬이온 배터리 경우 급속 충전할 경우 리튬 이온과 음극 표면 사이에 마찰이 커져 마모가 가속화됩니다. 또 리튬이온의 불규칙한 삽입으로 인해 에너지 밀도와 수명 저하 등을 불러옵니다.

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<삼성SDI 연구원들이 배터리셀을 살펴보고 있다>

Q: 전고체 배터리는 왜 필요한가요.

A: 전기차 시장은 최근 급성장하고 있습니다. 컨설팅그룹 딜로이트에 따르면 지난해 세계 시장에서 약 250만대 팔린 전기차는 2025년 1120만대, 2030년 3110만대로 판매량이 큰 폭으로 늘어날 것으로 예상됩니다. 내연기관차를 제치고 전기차자 주류로 성장할 것으로 보고 있습니다.

소비자가 내연기관차가 아닌 전기차를 선택하게 하기 위해선 주행거리를 늘려야 한다는 과제가 있습니다. 이로 인해 자동차 업계와 배터리 업계는 전기차 핵심 부품인 배터리 용량을 늘리는 데 집중하고 있습니다.

물론, 배터리 개수를 늘리는 방법도 있습니다. 하지만 배터리가 많아질 경우 차량 가격 상승을 유발하고 공간 효율성도 떨어지게 됩니다.

휘발유, 경유를 주유하는 속도만큼 충전 속도도 빨라져야 불편함이 없을 것입니다. 이를 해결할 수 있는 차세대 배터리가 전고체 배터리이기에 업계도 개발을 지속하고 있습니다.

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<LG에너지솔루션 연구원들이 배터리 성능을 점검하고 있다>

Q: 개발에 어려움은 없나요?

A: 개발이 쉬운 건 아닙니다. 아직 전고체 배터리를 상용화한 배터리 업체는 없습니다.

전고체 배터리 개발에 있어 가장 어려운 점은 전극과 전해질 간 높은 저항입니다. 전해질이 고체라는 점에서 전극과 전해질 밀착성이 떨어집니다. 이로 인해 둘 사이 경계면이 연속적으로 이어지지 않는 것이죠. 내부 저항이 증가하면 배터리 효율성이 떨어지게 됩니다.

양극과 음극을 분리하는 고체 전해질막이 두꺼운 점도 취약점입니다. 에너지 밀도가 낮아져 전지 성능이 떨어질 수 있습니다. 고체 전해질 소재 가격이 액체에 비해 높다는 것도 단점입니다.

Q: 전고체 배터리 선두 업체는 어디인가요?

A: 배터리 회사가 아닌 일본 자동차 제조사 토요타입니다. 다양한 특허를 확보했고 2021년 전고체 배터리 기반 차량을 시험 생산하는 것을 고려하고 있습니다. 늦어도 2025년까지 전고체 배터리 기반 전기차를 가장 먼저 상용화하겠다는 목표입니다. 토요타가 밝힌 전고체 배터리 성능은 완전 충전까지 10분이 소요되며 최대 500㎞를 달릴 수 있다고 합니다.

토요타는 일본 스미토모 메탈 마이닝과 배터리 개발에 속도를 내고 있습니다. 테슬라 배터리를 생산하는 파나소닉과도 협력해 자국에 배터리 생산 기지를 세우고 전고체 배터리 개발에 집중하고 있습니다. 토요타가 그동안 하이브리드차에만 집중해왔지만 전고체 배터리 기반 전기차를 내놓을 경우 급격히 점유율을 높여 자동차 시장에서 '게임 체인저' 역할을 할 수도 있습니다.

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<SK이노베이션 연구원이 배터리를 들고 있다>

Q: 우리나라 기업은 어떻게 대응하고 있나요?

우리나라 기업이라고 손을 놓고 있는 건 아닙니다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션는 세계적 배터리 회사입니다. 리튬이온 배터리를 생산하고 있지만 전고체 배터리도 개발 중이죠.

삼성SDI는 2025년 시제품을 공개하고 2027년 양산에 들어간다는 계획입니다. 전고체 전지 핵심 소재 내재화뿐 아니라 국내 업체들과 전고체 소재 개발을 위해 협력하고 있습니다. 고체 전해질을 만드는 정관과 황화물계 고체 전해질 테스트가 이르면 내년 완료될 전망입니다.

LG에너지솔루션도 2027년 양산을 목표로 개발하고 있습니다. 전고체 배터리 프로젝트팀은 황화물계, 고분자계 전고체 배터리를 함께 개발하고 있습니다.

SK이노베이션도 대전 연구소에서 차세대 배터리 조직을 구성해 개발을 진행하고 있습니다.

[관련도서]

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◇'충전 중인 대한민국 전기차', 박태준 지음, 한울 펴냄

전기차 산업 과거와 현재를 분석하고 미래 정책 방향과 해법을 제시한다. 9년 차 전기차 전문기자가 국내외 현장을 취재한 내용이 고스란히 담겼다. 보조금 혜택이 대부분인 정부의 보급·산업 정책에 따른 관련 업계 실상을 조망하며 우리나라 전기차 정책이 산업화로 전환해야 한다는 점을 강조한다. 충분한 물질적 지원 속에서도 우리나라 전기차 산업이 성장하지 못한 이유와 반복되는 정책적 문제점을 지적한다. 시급하면서도 당장 바꿀 수 있는 정책 개선 열 가지를 제언한다.

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◇슈퍼 배터리와 전기자동차 이야기, 세트 플레처 지음·한원철 옮김, 성안당 펴냄

세상에 태어난 지 20여 년이 지난 리튬 이온 전지를 중심으로 한 장대한 현대사를 담았다. 학술지에서만 접해 봄직한 배터리 분야 대가들을 일상에서 만날 수 있고 전지와 얽힐 수밖에 없는 전기자동차 과거와 현재를 접할 수 있다. 최첨단 전지 및 관련 재료연구 동향, 세계 리튬자원 상황과 새롭게 태동하는 전기자동차 산업 관련 중심인물들의 생각을 이해하는 데 도움이 된다.

박진형기자 jin@etnews.com