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잡히지 않는 전고체 배터리...현실적인 차기 2차전지는?

글로벌 1, 2위 CATL과 LG에너지솔루션의 차기 배터리 전략

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헬로티 이동재 기자 |

 

 

차세대 배터리가 전고체 전지라는 것은 주지한 사실이다. 글로벌 완성차 업체와 배터리 제조사 들이 전고체 전지 관련 연구에 막대한 자금을 쏟아붓고 있다. 특히 리튬이온배터리 시장에서 중국과 한국에 다소 밀려 입지가 좁아진 일본 기업들이 필사적이다. 도요타와 파나소닉은 전고체 전지 개발에 회사의 사활을 걸고 있다.

 

국내 배터리 제조사들도 열심이다. 삼성SDI는 오는 2025년 전고체 배터리 시제품을 공개하고 2년 뒤인 2027년 양산에 나서겠다고 밝혔고 LG에너지솔루션도 당초 2030년이었던 전고체 배터리 양산 목표연도를 2027년으로 앞당겼다. SK이노베이션 역시 2030년을 전고체 배터리 양산의 해로 정하고 연구를 진행 중이다.

 

압도적인 안전성을 자랑하는 전고체 배터리가 다음 세대의 주요 배터리가 될 것은 자명하지만 기업들의 양산 목표 연도에서 알 수 있듯, 아직 현실적으론 멀다. 기술적인 문제에 발목이 잡혀 있다. 와중에도 전 세계에서 전기차 생산량은 폭발적으로 증가하고 있다. 전기차 시장은 전고체 전지 개발을 느긋하게 기다려주지 않는다.

 

전기차를 생산하고 있는 완성차 기업과 이차전지 제조사 들은 전고체 전지 개발과 더불어, 현존하는 리튬이온배터리의 성능과 안전성을 지속적으로 개선하는 방식을 병행하고 있다.

 

NCMA, 하이니켈로 효율 높이고, 알루미늄으로 안전성 잡는다

 

 

현재 전기차에 널리 쓰이고 있는 리튬이온배터리는 3원계 배터리, 그중에서도 NCM 배터리다. NCM은 각각 니켈, 코발트, 망간으로, 배터리의 양극재를 구성하고 있는 원소를 나타낸다. 이 중 전지의 효율을 좌우하는 것은 니켈이다. 니켈의 함량이 높을수록 배터리는 좋은 효율을 내지만 반대로 안전성은 저하되기 때문에, 안전하면서 성능이 좋은 배터리를 만드는 일은 아주 까다롭다.

 

업계는 니켈의 함량을 될 수 있는 한 높여 효율을 극대화하면서 동시에 안전성을 잡는 방법을 강구했다. 고민 끝에 얻은 답은 4원계 배터리였다. 기존 3원계 배터리에 안정적인 알루미늄을 추가로 첨가해 4원계 배터리로 만드는 것이다.

 

이차전지 양극활물질 제조기업 엘앤에프는 작년 NCMA 4원계 배터리의 양산을 진행 중이라고 처음 밝혔다. 엘앤에프가 만드는 NCMA 양극재의 니켈 함량은 90%다. 일반적인 하이니켈 배터리의 니켈 비중이 70~80%인 것을 생각하면 획기적인 수치다.

 

이어 연말에는 엘앤에프가 NCMA 양극재를 LG에너지솔루션에 납품한다는 소식이 들려왔다. 무려 1조4547억원 규모의 계약이었다. 업계에서는 LG에너지솔루션이 빠르면 올해 하반기부터 엘앤에프의 양극재가 들어간 NCMA 배터리를 테슬라에 공급할 것으로 보고 있다. 이대로라면 테슬라는 업계 최초로 전기차에 4원계 배터리를 탑재하게 된다.

 

NCMA 배터리의 성능과 안전성이 입증된다면, 4원계 배터리는 리튬이온배터리 시장에서 대세가 될 가능성이 높다. 업계에서는 당장 LG에너지솔루션과 GM이 미국에 건립 중인 합작 공장에서도 NCMA 배터리가 생산될 것으로 전망하고 있다.

 

나트륨이온배터리, 리튬 대신 나트륨으로 가격↓ 에너지 밀도는 글쎄...

 

4원계 배터리가 혜성처럼 등장해 차기 배터리에 대한 지표를 제시했지만, 다른 길을 택한 기업도 있다. 중국 전기차 시장의 팽창을 등에 업고 글로벌 1위 기업으로 껑충 뛰어오른 CATL이다.

 

CATL은 지난 7월 온라인 행사를 통해 자체 개발한 1세대 나트륨이온배터리를 공개했다. 나트륨이온배터리는 리튬이온배터리에서 리튬이 하는 역할을 나트륨이 대신하는 배터리다.

 

 

리튬은 매장지역이 한정적이고 가격이 비싸다. 이에 반해 나트륨은 매장량이 풍부해 배터리의 가격을 혁신적으로 낮출 수 있다. 배터리의 생산 가격을 낮추는 것이 전기차 산업 확산을 위한 필수 과제로 인식되고 있는 만큼, 나트륨이온배터리가 상용화된다면 가격 경쟁력 측면에서 확실한 우위를 점할 수 있다.

 

가격말고도 나트륨이온배터리의 장점이 또 있다. 저온에서 리튬이온배터리보다 나은 에너지 저장 효율을 보인다는 것이다. 많은 전기차 이용자들이 겨울이 되면 빠르게 떨어지는 배터리 성능에 대해 불만을 토로하고 있는 만큼, 나트륨이온배터리는 기존 배터리의 대안이 될 수 있다.

 

관건은 CATL이 나트륨이온배터리의 치명적인 약점인 낮은 에너지 밀도를 극복할 수 있느냐이다. 현재 나트륨이온배터리의 에너지 밀도는 리튬이온배터리의 1/3에도 못 미친다.

 

업계는 CATL이 내놓은 차기 배터리 전략에 대체적으로 미적지근한 반응을 보였다. CATL은 160Wh/kg 수준의 나트륨이온배터리 에너지 밀도를 CATL이 현재 주력하고 있는 리튬인산철배터리의 에너지 밀도인 200Wh/kg 수준까지 끌어올리겠다고 호언했다. CATL이 기술적인 한계를 극복하고 차기 배터리 전략을 성공시킬 수 있을지 귀추가 주목된다.




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