[M오토데일리 박상우 기자] 전기자동차의 판매가 급격히 확대되면서 배터리 기술의 중요성도 높아지고 있다.

특히 최근에는 내구성이 100만km가 넘고 주행거리가 1천km에 육박하는 고성능 배터리가 등장하면서 각 배터리업체들의 기술경쟁도 치열해지고 있다.

하지만 최근들어 배터리 화재가 잇따르면서 배터리 안전에 대한 관심도 부쩍 높아졌다. 배터리업체들은 배터리의 주행거리와 내구성을 늘리면서도 확실한 안전성을 확보하는데 주력하고 있다.

현재 글로벌 배터리시장은 한국의 LG화학, 삼성SDI, SK 이노베이션 등 한국3사와 일본 파나소닉, 중국의 CATL과 BYD 등 6개 업체가 주도하고 있다.

한국의 배터리 빅3로 불리는 LG화학과 삼성SDI, SK이노베이션은 차세대 기술개발에서도 치열한 경합을 벌이고 있다.

중국과 일본 완성차업체들을 배경으로 하고 있는 CATL이나 파나소닉에 비해 상대적으로 경쟁이 치열한 한국 3사는 기술력에 모든 것을 걸어야 하는 절박감이 더욱 강하다. 

지난달 인터배터리 전시회를 통해 일부 공개된 차세대 제품을 보면 LG화학은 냉각시스템 일체형 배터리 모듈과 안전성을 강화 분리막 ‘SRS’ 기술에 공을 들이고 있다.

냉각시스템 일체형 배터리 모듈은 전체 구조가 단순화하면서도 배터리 용량을 늘릴 수가 있고 강화된 분리막 SRS 기술은 화재 안전성에 대한 대응 전략이다. 자동차업체가 배터리 용량을 더 늘릴 것으로 요구하게 되면 아무래도 화재 위험성이 커질 수 있는데 이에 대한 확실한 대책을 제시하겠다는 것이다. 

LG화학은 또, 중량 에너지 밀도가 410Wh/kg인 리튬 유황전지 2종과 고분자 고체 전해질, 황화물계 고체 전해질도 공개했다. 

LG화학에 따르면 리튬 유황전지는 오는 2025년에 양산이 예정돼 있다. 리튬 유황전지는 앞서 지난 8월에는 한국항공우주연구원의 고고도 장시간 체공 태양광 무인항공기인 ‘EAV-3’에 탑재돼 시험비행에 성공하기도 했다.

리튬-황 배터리는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리 중 하나로 양극재에 황탄소 복합체, 음극재에 리튬 메탈 등 경량 재료를 사용해 무게 당 에너지 밀도가 기존 리튬이온 배터리 대비 1.5배 이상 높은 배터리다. 기존 리튬이온 배터리 보다 가볍고 희귀 금속을 사용하지 않아 가격경쟁력이 뛰어난 것이 장점이다.

또한 전기차뿐만 아니라 장기 체공 드론 및 개인용 항공기 등 미래 운송수단의 성능을 좌우하는 핵심부품으로 손꼽히며 세계 각국에서 개발을 위한 경쟁이 치열하다.

LG화학의 또 다른 차세대 주력 배터리는 현재 개발 중인 롱-셀(Long Cell)배터리다. 이는 기존 배터리 대비 에너지 밀도가 16%, 주행거리가 20% 이상 향상, 주행거리를 550km까지 늘려준다. 이 배터리는 내년부터 상용화될 예정이다.

BMW와 포드에 공급, 화재문제가 제기된 삼성SDI 역시 주행거리를 늘리면서도 안전성이 강화된 배터리 개발에 주력하고 있다. 특히, 내년부터 내놓는 제품은 세계 최고의 안전성을 목표로 하고 있다.

삼성SDI가 기대를 걸고 있는 배터리는 전고체 전지다. 삼성SDI는 배터리 전시회에서 올해 안에 전 고체전지 소재 개발작업을 완료하고 2023년에 소형 셀 검증, 2025년에는 대용량 셀 검증작업을 거쳐 2027년 이후에 고체전지 셀을 양산한다는 구체적인 로드맵을 제시했다.

삼성SDI는 앞서 지난 3월 ‘Nature Energy’ 저널에 전고체 전지 기술에 대해 소개한 바 있다.

현재의 리튬이온 배터리 기술은 흑연 음극재에 머물러 있는데, 이는 충전과 방전이 반복되면 수명이 줄어든다는 한계가 있다. 전고체전지인 리튬-메탈 배터리는 수명을 2배 이상 늘리고 동일 크기 리튬이온 배터리에 비해 최소 2배 이상의 용량을 확보할 수 있다.

또 삼성SDI는 내년에 차세대 전기차 배터리인 젠5 양산을 시작할 예정이다. 이 배터리는 니켈이 80%이상 포함됐으며 배터리 효율을 높이기 위한 신공법도 도입됐다. 이를 통해 젠5의 에너지 밀도는 기존 제품보다 20% 높고 원가는 20% 낮아진 것으로 알려졌다.

삼성SDI는 “하이니켈 양극재와 실리콘 음극재 등 고용량 소재, 수년간 전동공구용 배터리를 개발하면서 확보한 고출력 기술 등을 적용해 고속 충전과 가속 성능 측면에서 높은 경쟁력을 확보하고 있다”며 “배터리 셀 사이즈를 대용량화하고 제조공정 효율화와 신공법을 적용해 생산성을 높이고 있다”고 밝혔다.

SK 이노베이션은 배터리 3사 중 화재에 가장 강한 면모를 강조하고 있다. 지금까지 화재 사고 ‘제로’를 통해 독보적인 안전성을 확보하고 있으며 앞으로의 제품에 대해서도 안전성과 내구성 강화에 초점을 맞춘다는 전략이다. 

SK 이노베이션이 개발중인 차세대 배터리는 ‘Ultra Long Multi-tab Cell’이다. 이는 각 극에 하나씩 있는 탭을 하나씩 추가한 것으로, 탭을 2개씩 사용하면 성능저하의 원인인 내부저항을 감쇄하는 효과가 있다.

즉, 배터리 내구성을 획기적으로 높일 수 있는 것으로 실용화 시점은 아직 공개하지 않았다. 하지만 중국 CATL이 테슬라용 배터리 내구성을 160만km 이상 확보했다고 밝히고 있어 이 배터리의 상용화 시점도 앞당겨질 전망이다.

SK이노베이션은 이같이 최초로 개발과 양산을 시작한 NCM622, 811에 이어 업계 첫 개발인 NCM9½½등의 역량을 토대로 장거리 주행이 가능한 장수명 배터리 개발에 역량을 집중하고 있다. 

최적의 주행요건이지만 이미 업계 최초로 1,000Km 시험 운행도 성공한 바 있다. 이런 장거리 주행이 가능한 것은 고밀도 니켈 기술과 함께 천번 이상의 충방전과 관계없이 배터리 효율성에 문제가 발생하지 않는 기술력이 받쳐준 결과라고 SK이노베이션은 설명했다. 특히 NCM9½½ 양극재를 적용한 배터리는 현재 OEM사의 수요에 맞춰 2022년 양산을 계획 중이다.

또 전기차의 가장 큰 숙제인 충전 속도를 획기적으로 개선하기 위한 기술을 개발하고 있다. 이 기술이 적용되면 두 번의 10분 충전이면 서울과 부산을 왕복할 수 있으며 이르면 연말이나 내년 상반기 중에 개발이 완료될 것으로 예상된다.