도요타 자동차가 2027년에 전고체 배터리를 탑재한 미래 전기차(EV)를 출시합니다. 이 전고체 배터리는 10분 미만의 충전으로 1200㎞를 주행할 수 있어서, 도요타는 EV 시장에서 ‘게임 체인저’로 불리고 있습니다. 도요타는 전고체 배터리의 내구성 과제를 극복하여 2027∼2028년을 목표로 전기차에 적용할 계획입니다. 이를 통해 도요타는 시장의 판도를 한 번에 바꾸고자 하는 전략을 추진하고 있습니다.
전고체배터리란?
리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되며, 현재 많은 전자기기와 전동차에 사용되는 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용합니다. 그러나 전고체배터리는 전해질이 고체인 배터리로, 구조적으로 액체 전해질이 아닌 고체 전해질을 사용합니다.
일반적인 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 분리막이 위치하고 액체 전해질이 함께 있습니다. 이와는 달리 전고체배터리는 고체 전해질이 사용되며, 고체 전해질은 분리막의 역할도 수행합니다.
리튬이온 배터리 사용 시 가장 큰 우려는 안전성입니다. 현재의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하므로 온도 변화로 인해 배터리가 팽창하거나 외부 충격에 의해 누액이 발생할 수 있는 위험이 있습니다. 이를 해결하기 위해 안전을 강화하는 부품이나 장치가 필요합니다.
전고체 배터리는 전해질이 고체이므로 구조적으로 튼튼하며 안정적입니다. 또한, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있어 안전성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
전고체배터리를 개발 하는 이유
전고체 배터리가 필요한 이유는 전기차용 배터리의 용량을 증가시켜야하기 때문입니다. 많은 시장조사기관들이 전기차가 내연기관차를 대체하고 자동차 업계의 주류로 성장할 것으로 예측하고 있습니다. 이를 위해서는 전기차가 현재의 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하며, 이를 위해 핵심 부품인 전기차용 배터리의 용량을 증가시키는 것이 매우 중요합니다.
배터리 용량을 늘리는 방법은 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 배터리의 개수를 늘리는 것입니다. 그러나 이 경우 배터리 가격이 상승하고 공간 효율성이 저하되는 문제가 있어 실현하기 어렵습니다.
전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높습니다. 또한, 폭발이나 화재의 위험성이 사라져서 안전성과 관련된 부품을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채울 수 있게 되었습니다.
전고체 배터리를 사용하여 전기차의 배터리 모듈이나 팩을 구성하면 부품 수가 감소하고, 이로 인해 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차용 배터리의 용량을 증가시키는 데 이상적인 선택입니다.
전고체배터리 상용화 걸림돌
전고체 배터리는 ‘꿈의 배터리’로 높이 평가되지만, 몇 가지 단점이 분명히 존재합니다. 자동차 업계에서는 전고체 배터리의 가장 큰 문제로 내부 저항값이 리튬이온 배터리에 비해 크다는 점을 지적합니다. 전고체배터리는 전해질이 고체이기 때문에 이온의 유동성과 전극과 전해질 간의 밀착성이 상대적으로 떨어질 수밖에 없습니다.
이러한 물성으로 인해 전고체 배터리의 효율성과 순간출력에 대한 의문이 제기되는 전문가들도 적지 않습니다. 특히 최근 전기차 보급이 활발해지면서 고성능 전기차 분야의 경쟁이 치열해지고 있어, 고급 전기차 시장에서 전고체배터리의 경쟁력에 대한 회의론도 등장하고 있습니다.
또 다른 문제는 생산 비용입니다. 전고체배터리의 양산은 생산 비용의 큰 걸림돌이 됩니다. 고체 전해질 소재의 가격이 액체 전해질보다 비쌉니다. 메리츠증권 등 투자업계는 전고체배터리 제조 단가가 2028년에는 1㎾h 당 160달러까지 내려갈 것으로 전망하고 있지만, 동일 기간에 리튬이온 배터리의 생산 비용은 1㎾h 당 80달러 대 초반으로 예상되고 있습니다. 성능과 용량의 차이를 고려해도 전고체 배터리는 70% 이상 비싸다는 의미입니다.
전고체배터리의 이러한 단점들을 고려할 때, 향후 발전과 생산 비용의 개선이 필요한 과제로 인식되고 있습니다.
‘꿈의 배터리’ 전고체 배터리 상용화 길, 국내 연구진이 열었다
한국연구재단은 고려대 김동완 교수 연구팀이 습식기반의 고체 전해질 합성공정 기술을 개발하여 전고체 전지의 공정 문제를 해결했다고 밝혔습니다.
기존의 합성공정으로는 어려웠던 대량 합성과 고순도의 고체 전해질 생산을 가능하게 했으며, 마이크로파를 이용한 습식공정을 개발하여 간단한 공정으로 고순도의 고체 전해질을 생산할 수 있었습니다.
마이크로파 합성공정은 에너지 손실을 줄여 비용 절감과 에너지 사용 효율화를 이룰 수 있습니다. 이번 연구는 전고체 전지의 상용화를 앞당길 수 있는 길을 열었습니다.
이수화학, 전고체 배터리 사업 떼낸 “이수스페셜티케미컬” 폭등
한편 이수스페셜티케미컬의 주가가 인적분할로 재상장한지 8거래일 만에 7.5배 뛰습니다. 시장에서는 ‘꿈의 배터리’로 여겨지는 전고체 배터리 사업 기대감이 주가를 밀어 올린 것으로 해석하고 있지만, 이와 함께 과열에 대한 논란 역시 커지고 있습니다.
이수스페셜티케미컬은 이수그룹 계열사인 이수화학에서 인적분할된 정밀화학 및 전고체 전지소재 전문 기업입니다. 앞서 이수화학은 지난해 11월 인적분할을 결정하고 석유화학 사업 부문(이수화학)과 정밀화학 사업 부문(이수스페셜티케미컬)으로 쪼개기로 결정했습니다. 이수화학은 석유화학에 집중하고 신성장 사업 중 전고체 배터리 전해질 원료로 쓰이는 황화리튬 사업을 이수스페셜티케미컬이 맡는 구조입니다.
최근 주가 급등을 놓고 다양한 추측이 나오는 가운데 이수스페셜티케미컬이 영위 중인 전고체 배터리 사업이 주가 급등에 불씨를 당겼다는 해석입니다.
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