[M오토데일리 박상우 기자] 현대자동차가 전고체 배터리 개발 경쟁에 뛰어들었다.

현대차는 여러 배터리 업체와의 전략적 협업 등을 통해 기술과 제조 경쟁력을 확보해 전고체 배터리를 개발한다는 계획이다.

이를 통해 현대차는 오는 2025년 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 시범 양산하고 2027년 전고체 배터리 양산을 위한 준비 작업에 돌입하며 2030년 본격적으로 양산할 계획이다. 

전고체 배터리는 양극과 음극, 전해질이 모두 고체이기 때문에 화재 위험성이 낮은데다 에너지 밀도를 증가시켜 배터리가 무게에 비해 전달할 수 있는 에너지를 늘릴 수 있어 리튬이온배터리의 대안으로 떠오르고 있다. 일본 조사기관인 후지경제에 따르면 전고체 배터리 시장은 2035년에는 시장규모가 28조 원에 이를 것으로 추산했다.

이 때문에 현대차뿐만 아니라 BMW, 폭스바겐, 퀀텀스케이프, 토요타, 삼성SDI, 테슬라, 대만의 폭스콘 등이 전고체 배터리를 개발하고 있다.

BMW는 지난 2017년 12월 미국의 배터리 제조업체인 솔리드 파워와 제휴를 맺으며 전고체 배터리 개발에 착수했다. 최근에는 독일 연방정부와 바이에른주 정부로부터 배터리 개발 자금을 지원받아 전고체 배터리 개발에 박차를 가하고 있다.

BMW는 이를 통해 오는 2025년 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 시범 양산하고 2030년 이 배터리의 양산 모델을 출시할 계획이다. 양산된 전고체 배터리는 BMW가 현재 개발 중인 차세대 전동화 파워트레인 7세대 BMW eDrive와 결합될 것으로 보인다.

폭스바겐그룹은 지난 2018년 1억 달러를 투자해 미국의 배터리 스타트업인 퀀텀스케이프와 제휴를 맺고 전고체 배터리를 개발하고 있으며 지난해 9월 2억 달러를 추가 투자해 개발 속도를 높이고 있다.

퀀텀스케이프가 개발하고 있는 배터리는 양극, 음극, 전해질로 이뤄지는 배터리와 달리 음극과 고체 상태의 세라믹 분리판으로만 이뤄져 있다. 배터리가 충전되면 리튬은 음극에서 나와 세라믹 분리판을 통과해 분리판과 접점 사이에 침전돼 배터리 내 금속 리튬 양극을 형성한다.

퀀텀스케이프는 이 배터리의 프로토타입을 제작하고 테스트를 진행했다. 그 결과 15분 만에 80%까지 충전할 수 있는 것으로 나타났다. 리튬이온배터리가 80%까지 충전하는데 40분 정도 소요되는 것을 감안하면 상당히 빠른 것이다.

또 800회 충전과 방전을 진행했음에도 80% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 300마일(483km)을 주행할 수 있는 전기차가 80% 미만으로 떨어지기까지 24만마일(38만6,242km)을 주행할 수 있다고 퀀텀스케이프는 설명했다.

폭스바겐과 퀀텀스케이프는 오는 2024년부터 양산을 개시해 연간 생산규모를 20GWh까지 확대할 계획이다.

제2의 테슬라로 불리는 미국의 전기차업체 리비안은 최근 전고체 배터리를 개발할 엔지니어를 채용하고 있다. 다만 구체적인 계획이 알려지지 않아 개발 인력은 얼마나 투입하는지, 배터리 양산 시점은 언제인지 등을 알 수 없다.

토요타는 2020년대 초반에 고체 배터리가 장착된 전기 자동차를 판매하는 최초의 회사를 목표로 올해 프로토 타입 전기차를 공개할 예정이다.

토요타가 개발 중인 전고체 배터리는 최소한의 안전 문제만 해결하면 상용화가 가능한 것으로 알려졌으며, 토요타는 이 솔리드 스테이트 배터리가 전체 자동차산업의 판도를 바꿀 것으로 기대하고 있다.

그러나 해결해야 하는 문제가 여전히 많아 정확한 상용화 시점을 언급하지 않고 있다.

리튬 이온 배터리의 개발자로 2019년 노벨 화학상 수상자인 마이클 스탠리 위팅엄박사는 “전고체 배터리를 만드는 데 있어서 최대의 과제는 저온에서도 300마일(482km) 이상의 항속거리를 유지하면서 높은 에너지 밀도와 급속 충전, 긴 수명주기를 동시에 충족시켜야 한다”고 말했다.

이는 고체 전해질이 리튬이온배터리의 액체 전해질보다 이온 전도도가 낮기 때문이다. 고체 전해질은 액체 전해질처럼 양극 또는 음극을 완전히 덮을 수 없는데다 지속적인 부피 변화로 인한 스트레스로 인해 접촉이 느슨해져 양극과 음극이 분리될 수 있다. 이로 인해 배터리의 성능이 빠르게 저하될 수 있다.

전고체 배터리를 개발하고 있는 업체 중 일부는 이러한 문제를 제대로 해결하지 못한 것으로 알려졌다. 이 때문에 전고체 배터리의 정확한 상용화 시점을 파악하기가 어렵다.

한편, 현대차는 2년마다 에너지 밀도를 높인 차세대 배터리를 선보일 예정이다.

현재 탑재되고 있는 배터리는 에너지 밀도가 600Wh/L 초반인 3세대이며 오는 2023년 에너지 밀도가 600Wh/L 후반인 4세대 배터리를, 2025년에는 에너지 밀도가 700Wh/L 중반인 5세대 배터리를 출시할 예정이다.

현대차는 이를 위해 LG에너지솔루션, SK이노베이션, 삼성SDI 등 국내 3사 배터리 업체 등과 협업해 시장의 요구를 반영한 최적의 배터리를 개발하고 이를 내재화할 방침이다.