메르의 생각
전고체 배터리 근황 업데이트(feat 삼성SDI, 토요타, 이차전지)
메르
2024.03.13
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https://www.mk.co.kr/news/business/10961814
K배터리, 전고체로 앞서가고 LFP는 추격 - 매일경제
최근 전고체가 이슈가 되기 시작하면서,
삼성SDI가 전고체를 테마로 며칠전부터 오르기 시작했습니다.
전고체 배터리의 강약점과 전망을 리마인드 해봅니다.
1.전고체(All-Solid-State)배터리는 단어 그대로 모든 게 고체인 배터리를 말함.
2. 현재의 2차 전지 주력 배터리인 삼원계 배터리는 양극,음극,분리막, 전해질로 구성이 됨.
3. 양극과 음극 사이에 액체 상태인 전해질을 채우고, 분리막을 사용해서 양극과 음극이 닿지 않게 하고 있음.
4. 전해질을 액체가 아니라 고체로 넣는 게 전고체 배터리임.
5. 전해질을 고체로 넣으면 몇 가지 큰 장점이 생기게 됨.
6. 배터리는 양극과 음극이 닿지 못하게 분리막을 넣고 있음.
7. 고체인 전해질을 넣게 되면, 전해질이 분리막 역할을 하기 때문에 분리막 따로 넣을 필요가 없어짐.
8. 안전성도 좋아짐.
9. 액체 전해질을 사용하는 경우 온도변화로 인한 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등으로 배터리가 손상되고, 불이 날수 있음.
10. 배터리 손상으로 인한 화재 위험을 막기 위해, 셀을 모듈로 감싸고, 모듈은 다시 팩으로 감싸는 이중포장을 하는 것임.
11. 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단하고 안정적이라, 전해질이 훼손되더라도 어느정도 화재를 막을 수 있음.
12. 전고체로 간다면, 분리막을 없앨 수 있고, 안전성을 높이기 위한 모듈과 팩을 간소화해도 되는 것임.
13. 현재 배터리에서 분리막, 모듈, 팩 등 안전장치가 차지하는 면적이 전체 배터리의 절반쯤이 됨.
14. 안전장치가 차지하던 자리를 음극재와 양극재로 채우면 같은 면적에 두 배 가까운 용량을 채울 수 있음.
15. 전고체가 일반 배터리보다 2배이상 오래가는 이유는 성능이 좋다기보다 같은 면적에 더 많은 용량을 채울 수 있어 그런 것임.
16. 여기에다가, 음극재로 불안정해서 사용하지 않았던 리튬금속까지 사용하면, 배터리 용량을 더 키울수도 있음.
17. 전고체 배터리를 만드는 방식은 크게 산화물계와 황화물계가 주력임.
18. 일본의 무라타 등이 전고체 배터리에 성공했고 올해부터 양산을 하겠다고 공장을 만들고 있는 것은 산화물계임.
19. 산화물 계열의 문제점은 용량을 키우는 데 한계가 있음.
20. 무선 이어폰에 들어가는 배터리가 100mah 정도 용량이 필요하다면, 핸드폰에는 4,000mah가 필요하고, 자동차는 100ah 용량이 필요할 정도로 자동차로 갈수록 큰 배터리 용량이 필요함.
21. 2024년중에 양산을 시작한다는 일본의 산화물계는 무선 이어폰이나 소형 가전제품에 들어가는 정도까지는 커버가 되지만, 핸드폰부터는 용량이 간들간들하는 수준임.
22. 핸드폰도 어려운데, 핸드폰보다 훨씬 많은 배터리 용량이 필요한 전기차는 산화물계 공장에서는 커버할 수 없다는 말임.
23. 자동차는 황화물계로 가야하고, 황화물계 전고체배터리의 양산 일정을 누가 먼저 발표하는지가 관전 포인트 였음.
24. 삼성SDI는 2023년 3월, 수원 SDI연구소에 전고체 배터리 파일럿 라인인 "S라인"구축을 완료함.
25. 2023년 6월부터 시제품 생산을 시작했고, 연말에는 고객에게 납품하는 샘플을 생산하기 시작함.
26. 2023년 조직개편에서 전고체 배터리 전담조직인 ASB(All Solid Battery) 사업화 추진팀을 신설하고 인력확충을 하고 있음.
27. 3원계에서 많이 뒤처진 듯 보였던 삼성SDI가 전고체에 앞서가는 모습을 보이는 부분에는 여러 가지 해석이 있음.
28. 부정적인 해석으로는 3원계 배터리는 LG엔솔에 밀리고, LFP배터리는 중국이 주도하고 있으니, 차세대인 전고체에 희망을 가지고 전력을 집중하고 있다는 것임.
29. 삼성SDI가 전고채 배터리의 생산을 시작했다고 하지만, 양산이 아니라 실험실 단계에서 파일럿 생산이라 아직 갈길이 멈.
30. 현재 3원계에서 전해액을 넣은 방법은 전해액을 주사기와 비슷한 기계로 주사를 한 후, 전해액을 화학반응시켜, 액체인 전해액을 젤리같이 만드는 방식을 쓰고 있음.
31. 액체가 들어가 비어있는 공간이 없이 전해액을 채운 뒤, 그 액체를 젤리로 만들어 안정시키는 방식임.
32. 전고체는 액체를 주입하는 게 아니라 고체인 가루를 넣는 방식임.
33. 고체 상태 가루를 넣으면 액체보다는 빈 공간을 채우기가 쉽지 않아 비어있는 공간이 많이 생기게 됨.
34. 이 빈 공간을 없애는 기술이 있음.
35. 메모리 반도체에 사용되는 정밀적층코팅 기술임.
36. 삼성SDI의 계열사에 메모리 반도체의 최고존엄인 삼성전자가 있는 부분이 비대칭 전력이 될 수 있다는 것임.
37.삼성전자 종합기술원이 전고체 개발에 상당 수준 발을 담그고 있고, SDI와 협업하며 연구결과를 계속 발표하고 있음.
38. 이재용 부회장과 현기차의 정의선회장이 만났을 때 나눈 말이 전고체가 중요하다는 것이었고, 삼성SDI 개별 기업이 아니라 삼성그룹 차원에서 전고체에 힘을 쏟고 있다는 말이기도 했음.
39. 현대차는 2025년에 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 시범생산하고, 2030년 양산하는 계획을 가지고 있음.
40. 삼성SDI의 전고체 배터리 양산 일정이 2027년으로 잡혀 있는 것을 감안하면, 삼성SDI가 전고체 양산에 성공하면 납품처는 현대차가 될듯함.
41. 이재용 삼성전자 회장과 정의선 현대차그룹 회장이 만나는 자리에서 2차례나 전고체 배터리 연구현황을 논의하는 것을 보면, 삼성전자와 삼성SDI는 전고체 배터리 개발을 진심으로 하고 있는것으로 보임.
42. 토요타는 전고체 배터리의 수명이 짧아지는 문제를 해결 못하고 있다는 발표를 함.
43. 토요타가 개발 중인 전고체배터리는 충방전을 반복하면 전극에 사용되는 재료들 간의 사이에 틈이 생긴다는 문제가 공개됨.
44. 최근 이 문제가 해결된 듯한 동향이 보이고 있음.
45. 토요타가 전고체 배터리 상용화 계획을 발표한 것임.
46. 토요타는 전고체 배터리 상용화를 2027년에 끝내고, 전고체를 장착한 전기차를 2028년에 출시하겠다는 계획을 발표한 것임.
47. 2023년 6월, 기술적 혁신에 성공해서 전고체 배터리의 문제를 거의 해결했다고 함.
48. 토요타의 전고체배터리는 2가지 모델로 개발되고 있음.
49. 621마일(1,000km)를 가는 모델과 750마일(1,200km)를 가는 모델이고, 완충시간은 모두 10분이내라고 함.
50. 대량생산 과정에서 중요하고 어려운 과제가 음극과 양극 셀을 빠르고 정확하게 적층하는 조립공정임.
51. 토요타는 "적층 속도 면에서 현재 리튬이온 배터리 생산수준에 거의 도달했다"라고 함.
52. SK온은 미국 전고체 배터리 기업인 솔리드파워와 기술 이전 협약을 체결함.
53. SK온은 솔리드파워가 보유한 전고체배터리 셀 설계와 파일럿 라인 공정 관련기술 전부를 연구개발에 활용할 수 있게 됨.
54. 솔리드 파워는 SK온에 황화물계 고체 전해질을 공급하는 조건으로 전고체 배터리 개발에 협조를 하는 계약임.
55. SK온은 2026년에 시제품을 생산하고 2028년에 상용화를 하는것이 목표임.
56. 중국은 1월23일 중국 전고체 배터리 산학연 협동 혁신 플랫폼(CASIP)를 출범함.
57. CASIP가 전고체 개발과 관련된 학교와 기업간 컨트롤타워 역할을 하면서, 전고체 배터리 상용화를 하겠다는 것이 목표임.
58. CASIP에는 중국 선두 배터리 기업인 CATL과 BYD와 상하이자동차그룹,둥펑자동차,베이징자동차그룹등이 참여를 함.
59. 중국은 2025년에 중국에서 판매되는 차량의 절반 이상을 친환경차(전기차 + 하이브리드)로 만들겠다는 계획임.
60. 중국 CASIP는 전고체 소재 개발에 최고 성능의 AI를 동원해서 속도를 올리고, 선두로 올라서겠다고 하고 있음.
61. 전고체 배터리 시험생산은 삼성SDI가 가장 먼저 시작했지만, 양산은 한국도 일본도 아닌 대만회사가 먼저 시작할 것 같음.
62. 대만 프롤로지움이 올해 안에 전고체 배터리 공급을 시작하고, 전고체 배터리를 장착한 전기차를 글로벌 자동차 제조사를 통해 연내 출시할 것이라는 계획을 발표함.
63. 대만 프롤로지움 테크놀로지는 대만 타오위안에 세계 최초로 기가급 전고체 배터리 공장을 준공하고 양산 준비를 시작함.
64.1조 8천억원이 투입되어 2024년 1월 23일 준공된 타오위안 공장의 초기 생산능력은 전기차 1만4000대분에 해당하는 연간 0.5GWh지만, 2GWh로 확대를 진행하고 있음.
65. 프롤로지움은 2006년 설립된 전고체 배터리 전문회사로 벤츠, 베트남의 빈패스트, 이브이첨단소재, 포스코홀딩스등이 투자하고 있음.
66. 프롤로지움은 52억유로(7조5천억원)를 투자해서 프랑스 덩케르크에 48GWh 규모의 전고체 배터리 공장도 진행하고 있음.
67. EU로부터 보조금 승인도 받은 상태로, 전세계 전고체 시장에서 40% 점유율을 차지하겠다는 목표를 밝히고 있음.
프롤로지움의 타오케 공장 [출처=ProLogium]
67. 현재 전고체 배터리분야의 선두급은 대만의 프롤로지움이 아니라 미국의 퀀텀스케이프임.
68. 퀀텀스케이프는 2023년 1월초, 시제품을 독일 폭스바켄에 제공해서, 95%이상 배터리 성능을 유지하면서 1천회이상 충전에 성공함.
69. 폭스바겐의 배터리 자회사인 파워코는 1년간 주행테스트 결과 해당 전고체 배터리가 50만km를 주행할 수 있다고 확인을 해줌.
퀀텀스케이프의 전고체 배터리 [출처=QuntumScape]
70. 전고체 배터리는 아직 개발이 요원하다는 여러가지 부정적인 전망들이 많이 나오고 있었음.
71. 대만의 프롤로지움이 양산 준비에 들어갔고, 미국 퀀텀 스케이프의 주행테스트 결과가 잘 나오고 있는 만큼, 전고체가 막연한 미래기술이 아니라 현실이 될 수 있는 상황임.
72. 전고체배터리의 문제는 기술이나 양산이 아니라 가격일 가능성이 높다고 봄.
73. 전고체배터리는 현재 3원계 배터리에 사용하는 리튬보다 훨씬 비싼 황화리튬(Li2S)을 써야 함.
74. 황화리튬외에도 배터리내 전기를 일으키는 반응을 담당하는 활물질을 은으로 코팅하는등 원가상승 요인이 많이있음.
75. 배터리사 혼자 배터리를 만드는 것이 아님.
76. 전고체를 하게되면, 새로운 제조설비, 소재등의 납품이 필요하니, 협력사들이 제조설비를 만들고, 여러가지 새로운 재료를 납품하려면 비용이 추가될 수 밖에 없음.
77. 전고체 배터리가 상용화에 성공하더라도 3원계보다 2배 가까운 가격이 나올수도 있다는 예상이 나오는 이유임.
78. 테슬라가 보급형에 인산철배터리를 넣고, 고급형에 3원계를 넣듯이, 차세대 전기차 배터리도 보급형은 3원계와 인산철(LFP)이 경쟁하고, 고급형에 전고체를 사용하는 방식으로 시장이 나누어질 수도 있다는 기존 생각은 아직 유효함.
79. 삼성SDI가 2027년, SK온이 2029년, 엘지엔솔이 2030년 양산계획을 밝히고 있지만, 구체적인 양산일정이 나온것은 아직 삼성SDI뿐임.
짧은 코멘트. 꿈의 배터리라는 전고체 배터리가 양산이 시작되는 단계까지 도달함. 문제들이 많이 해결되었다는 말이라, 막연한 미래라고 무시할 단계는 지난듯해보임. 가격을 어느정도 경쟁력있게 뽑아내는지가 남은 숙제가 될것같음. 삼성SDI가 전고체에 집중을 하며 앞서나가는 분위기인데, 한국의 엘지엔솔이나 SK온이 아니라 일본과 대만, 미국기업등이 경쟁상대가 될것 같음. 쉽지는 않은 상황이라는 말임. 다만, 퀀텀은 배터리 성능을 과장했다고 소송에 걸렸고, 프롤로지움은 시제품이 나오고 공장이 완공되었지만, 양산 결과를 보여주기 전이라 아직은 혼전양상으로 보임.
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