[이코노믹리뷰=김화평 기자] 일본 도요타자동차가 ‘꿈의 배터리’인 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 세계 최초로 공개하면서 전기차 배터리 시장 경쟁이 더욱 뜨거워질 전망이다.
현재 판매 중인 전기차에는 리튬이온 배터리가 탑재되는데, 이 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용한다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체이기 때문에 액체 누설에 대한 걱정이 없고, 내구성·내열성·불연성도 더 뛰어나며 안전하다. 이 때문에 꿈의 배터리라 불린다.
일본 도요타자동차는 지난 7일 공식 유튜브 채널에 전고체 배터리로 달리는 전기차를 공개했다. 도요타는 “세계 첫 전고체 배터리를 장착한 프로토타입 자동차로 정식 번호판도 받았다”고 설명했다.
도요타에 따르면 이 자동차는 지난해 6월 개발됐다. 그해 8월 도요타는 공식 번호판을 받고 시험 운행을 진행했다. 도요타는 “당시 확보한 주행 데이터를 바탕으로 성능을 개선하고 있다”고 밝혔다. 도요타는 이날 대규모 배터리 투자 계획도 발표했다. 하이브리드차(HV)와 전기차(EV)에 탑재하는 배터리 생산·개발에 2030년까지 1조5000억엔(약 16조원)을 투자한다.
도요타자동차가 지난 7일 공개한 세계 첫 전고 배터리 전기차. 출처=도요타자동차 공식 유튜브 채널
그동안 도요타는 전기차 시장에서 두각을 나타내지 못했다. 하지만 10년 전부터 전고체 배터리 개발을 진행했던 만큼 현재 세계에서 가장 앞선 기술을 확보하고 있다. 도요타의 이 같은 행보로 앞으로 전기차 기술경쟁이 한층 심화될 것으로 전망된다.
일본 에너지 환경·산업기술을 담당하는 신에너지산업기술종합개발기구에 따르면 2001~2018년 출원된 전고체 배터리 특허 중 일본이 차지하는 비중은 37%로 가장 높다. 이어 중국 28%, 미국 16%를 기록한 바 있다.
도요타의 전고체 배터리 특허는 현재 1000여개가 넘는다. 전 세계 전고체 배터리 특허의 40% 규모다. 업계에서는 도요타 특허를 피해 전고체 배터리를 개발하는 게 쉽지 않다는 말도 나온다.
미국의 배터리 개발업체 퀀텀스케이프는 2012년부터 전고체 배터리를 개발해왔으며 현재 200여개 배터리 관련 특허를 보유 중이다. 이 회사는 폭스바겐과 빌 게이츠 마이크로소프트 창업자가 투자해 주목을 받기도 했다. 중국도 칭다오에너지디벨롭먼트를 비롯한 여러 회사가 전고체 배터리 기술 개발에 열을 올리고 있는 상황이다.
삼성SDI, 전고체 배터리 특허 2위
LG에너지솔루션·SK이노베이션(096770)·삼성SDI(006400) 등 국내 배터리 3사도 전고체 배터리 기술개발을 위해 고군분투 중이다. 특히 삼성SDI는 도요타 다음으로 전고체 배터리와 관련한 국제 특허 건수가 많은 것으로 알려져 있다.
삼성SDI는 지난해 3월 주행거리 800km에 이르는 고밀도 전고체 배터리 원천기술 개발 성공 소식을 알린 바 있다. 2025년까지 전고체 배터리에 대한 프로토타입셀과 라지셀 개발을 완료한 후 2027년부터 본격 양산에 돌입할 예정이다.
전고체 배터리 상용화 관건은 액체만큼 이온전도도가 좋은 고체를 찾는 것이다. 황화물계 고체는 지금껏 나온 고체 전해질 중 가장 이온전도도가 좋아 전해질로 유망한 물질로 꼽힌다. 삼성SDI가 선택한 고체전해질 방식 역시 황화물이다.
삼성SDI 관계자는 “전고체 배터리의 수명·비용·가압 등 문제를 해결하기 위해 연구 중”이라며 “상업생산까지 속도를 낼 것”이라고 말했다.
지난 7월 삼성SDI 울산사업장에서 문승욱 산업통상자원부 장관(오른쪽)과 전영현 삼성SDI 사장(왼쪽)이 이차전지 생산 시설을 둘러보고 있다. 출처=산업통상자원부
학계에서도 전고체 배터리 연구가 한창이다. 최근 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 전고체 배터리에 압력 센서를 붙여 내부에서 일어나는 부반응을 알아내는 데 성공했다고 밝혔다. 이 기술은 전지 수명을 줄이는 부반응을 알아내는 비파괴 진단기술로 주목받고 있다. 이번 연구는 미국 조지아공대 매튜 맥도웰 교수 연구팀과 함께했다.
이 교수는 “고가 엑스레이(X-ray) 기술과 달리 본 진단 방식은 소규모 전지부터 상용화될 대용량 전지까지 쓸 수 있는 기술”이라며 “보다 간편하고 정밀한 전고체 전지 성능 평가와 예측이 가능해질 것”이라고 기대했다.