[리포트·정보] 2차 전지·전기차 / 전고체 배터리의 등장
안녕하세요 🖐🖐🖐
주린이 루루입니다 😆😆
2차 전지 시장에서 전고체 배터리와 관련된 내용은 항상 이슈가 되고 있는데, 최근 도요타에서 전고체 전기차 출시에 대한 발표를 하면서 전고체 배터리 관련 내용을 소개해드리겠습니다. 마찬가지로, 전문은 글 하단에 첨부하였습니다.
Tesla에 뒤진 OEM들의 기술 격차 줄일 수 있는 대표적인 솔루션
전고체전지는 OEM들이 기술을 주도하고 있고, 가장 대표적인 업체가 Toyota이며, VW, 현대차, 삼성 등은 각각 Quantumscape, Solidepower등 스타트업에 투자하여 전고체 전지를 연구하고 있다. 또한 삼성은 삼성종합기술연구원이 삼성SDI와 함께 전고체 전지를 연구하고 있으며, 현대차도 전고체 전지를 연구하고 있고, 향후 이를 활용한 EV를 생산할 계획을 밝혔다. LG화학의 경우 다른 2차전지 업체들과 달리 리튬-황전지를 우선 상용화하고 2020년 후반 경 전고체 전지를 상용화 한다는 계획이다.
OEM(Original Equipment Manufacturer)은 주문자의 의뢰에 따라 주문자의 상표를 부착하여 판매할 상품을 제작하는 업체를 의미한다.
전고체 전지는 기존 LiB의 4대요소 중 하나인 액체 전해질을 고체형태로 바꿔 안정성 및 에너지 밀도 측면에서의 개선이 크게 나타날 것으로 기대되고, 분리막은 사라질 것이며 음극은 흑연이 사라지고 리튬메탈을 사용하게 될 것이다. 특히, 발화/폭발 위험이 낮아지기 때문에 냉각(Cooling)과 BMS(Battery Management System) 기능도 대폭 축소될 것으로 전망된다. Telsa는 독보적인 BMS 및 냉각 기술, 그리고 저전력 시스템의 구현으로 동일한 2차전지에서도 더 많은 주행거리를 내고, 원가 역시 낮추고 있는 상황이다. 따라서, BMS 및 냉각시스템의 기능이 축소된다는 말은 이 격차를 크게 줄일 수 있다는 뜻이 된다.
Toyota의 빠른 전고체 전지 양산
Toyota는 2018년부터 양산을 위한 드라이룸(황(S) 첨가 고체전해질은 습기에 취약)을 구축하고, 조직정비까지 마친 것으로 파악된다. 2020년 Toyota는 Panasonic과 JV인 Prime Planet Energy & Solution(PPE&S)를 설립하였고, 21년 시작차를 공개하여 성능 시험을 본격화하고 22년부터 상용화한다는 계획이다. 최근 국내업체들 역시 전고체전지와 관련된 연구를 강화하고 있는 것으로 보인다. 전세계 전고체 전지 관련 특허는 Toyota가 압도적이지만, 최근에는 현대차와 기아차 역시 전고체 전지 관련 특허를 빠르게 확보하고 있다.
차세대 전지 개발 및 양산 일정
전고체 전지 특허 추이
전고체 전지, 아직 아쉬운 부분이 많다.
전고체전지의 성능은 현 상황에서는 아쉬운 부분이 많다. 최근 대대적인 쇼케이스를 진행했던 Quantumscape(QS)의 자료를 통해서 보게 되면 1,000 cycle에서 80% 이상의 에너지를 유지한 실험 결과를 보였다. 과거에는 대단한 것이었겠지만, NCMA 배터리도 1,000 cycle에서 이보다 더 안정적인 모습을 보였다. 이미 상용화가 되고 있는 전지이고 건식전극과 단결정 양극재가 성공적으로 상용화 된다면 더욱 전고체 배터리에 대한 강점이 감소된다. 또한, QS는 1회 충전에 300Mile을 주행할 수 있다고 주장하지만, 이미 Tesla Model3/Y 등은 합리적인 가격에 그 이상의 주행성능을 보이고 있다.
충전 관련해서 QS는 15분에 80% 충전을 목표로 하고 있다고 밝혔다. 하지만, Tesla는 이미 250kW의 V3 충전기 양산을 준비하고 있는데, 15분 내 80% 충전이 가능하고 최근 현대차가 내놓는 아이오닉5의 경우 18분 안에 80%까지 충전할 수 있다고 밝혔다. 대게는 실리콘이 음극에 사용될 경우 고속충전 특성이 개선되는데 실리콘이 첨가된 음극을 사용한 포르쉐 타이칸은 80% 충전에 22분 30초가 걸린다고 하기 때문에 고속충전 특성도 압도적이지 않다.
가격의 문제
문제는 가격이다. Toyota는 30년까지 $100/kWh를 목표로 하고 있고, 생산 초기 배터리 가격은 $500/kWh 수준으로 파악되는데 BNEF에 따르면 20년 기준 LiB Pack 단가는 $137/kWh 수준까지 하락했다. Tesla의 원통형 배터리는 이미 Cell 가격이 $100/kWh를 하회하고 있다. 21년에는 NCMA 배터리 및 High nickel 배터리들이 대거 적용되면서 추가적으로 하락할 것이며 점차 팩을 간소화하는 방향으로 기술이 발전하고 있어, 향후 30년 LiB 팩 단가는 $100/kWh를 대폭 하회할 것으로 전망된다.
Toyota 전고체전지의 Value Chain은 이제 구축이 되고 있는 단계로 Mitsui Kinzoku, Idemitsu Kosan, Sumitomo Chemical 등이 핵심적인 전고체 전지 전해질 Value Chain으로 규모의 경제를 갖추는 것이 단가 하락의 핵심인데, 아직까지 전고체전지 생산 공정이나, 재료 등 완전하게 표준화되지 않아 규모의 경제 확보까지 많은 시간이 필요할 것이며, 기존 LiB만큼 많은 업체들의 참여 여부도 미지수이다.
그러나, 셀 업체들의 차세대 전지 기술 확보는 중요
테슬라가 올해 100만대 EV 판매가 전망되나, VW그룹은 23년에서야 100만대 판매를 이룰 것으로 전망된다. 현재 EV 시장에서 테슬라의 경쟁력은 독보적으로 기존 OEM들이 Tesla를 따라잡는데 많은 자원 투입이 필요하다. 이에 전고체 배터리는 BMS 및 냉각과 관련한 기술 격차를 빠르게 좁힐 수 있는 것으로 전고체전지 개발은 적어도 OEM들에게는 굉장히 중요하다. 게다가, EV시장 후발주자들에게도 이는 빠르게 격차를 좁힐 수 있는 중요한 옵션이 되는데 애플의 애플카에 대해서 전고체전지가 거론되는 배경일 수도 있다.
마치며
개인적으로 2차 전지 관련 기업 중 분리막 장비 관련 기업에 처음으로 투자를 시작했었기 때문에 전고체 배터리에 관한 내용은 유의깊게 보고 있었습니다. 왜냐하면 분리막이 사라진다는 것은 해당 기업의 수주에 영향을 주기 때문입니다. 전고체 배터리는 그 성능이나 필요성이 기존의 리튬 이온 배터리의 개발 진행에 따라서 서서히 줄어들고 있다는 평이 있습니다. 그러나 전고체 배터리는 분명 2차 전지 시장에서 Game Changer의 역할을 할 것이라고 판단하고 있으며, 차세대 전지로 이해할 수 있기 때문에 전기차/2차 전지 시장에 관심이 있다면 함께 주목해야할 분야입니다.
미래 전망에 있어서는 모든 것이 불확실하나, 전고체 전지의 상용화와 규모의 경제가 완성된다면 이론상으로는 기존의 리튬 이온 배터리로는 극복할 수 없는 한계치가 존재하기 때문입니다. 또한 테슬라와 非테슬라의 전기차 시장 구도에서 적어도 기존의 점유율을 유지하기 위한 기존 OEM 업체들에게는 사활을 걸 수 있는 부분으로 충분히 투자 고려할만한 분야로 판단됩니다.
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