[미래기술25]②앞서가는 토요타, 따라잡기 나선 삼성·LG

[이데일리 경계영 기자] 전고체 배터리 개발 경쟁에서 한 발 앞서있는 곳은 일본입니다. 이 가운데서도 일본 토요타가 당초 2020년 7월로 예정됐던 도쿄올림픽에서 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 운행하겠다고 공언할 정도로 제품화 단계에 가장 가까이 가있습니다.

전고체 배터리 관련 특허 건수에서도 토요타는 압도적 성과를 냈습니다. 특허청 특허검색서비스(KIPRIS)와 SK증권에 따르면 특허협력조약(PCT)과 글로벌 특허에 등록된 전고체 배터리 관련 특허는 1997~2018년 토요타가 660개로 전체 46.9%를 차지했습니다. 토요타 뒤를 잇는 일본 기업인 이데미쯔(120개)나 파나소닉(91개), 히타치(77개) 등도 LG화학(051910) 43개, 삼성SDI(006400) 6개 등 국내 기업에 비해 월등하게 많은 수준입니다.

토요타가 2020년 열릴 예정이었던 도쿄올림픽에서 선보이겠다고 발표한, 전고체 배터리 탑재 전기차 ‘e-팔레트(Palette)’. (사진=토요타)

자동차를 만들던 토요타는 배터리 생산에 박차를 가하고자 배터리 제조사인 파나소닉과 손잡았습니다. 2020년 4월 출범한 ‘프라임 플래닛 에너지 앤드 솔루션’(Prime Planet Energy and Solutions)이 바로 그 결과물입니다. 합작법인(JV)은 2022년부터 전고체 배터리 판매를 시작하겠다는 목표입니다.

국내 배터리 3사도 차세대 배터리 개발에 열중

그렇다고 가만히 있을 국내 기업은 아니죠. 배터리 3사 모두 리튬이온 배터리를 이을 차세대 배터리를 연구개발(R&D)이 한창입니다. 전고체 배터리엔 삼성이 좀더 초점을 맞추고 있고, LG화학과 SK이노베이션은 음극 활물질로 메탈을 적용한 리튬메탈 배터리에 집중하고 있습니다. 다만 3사 모두 “아직 업계에서 차세대 배터리의 방향성이 명확지 않아 가능성을 열어두고 모든 분야를 연구하고 있다”는 입장입니다.

(자료=삼성종합기술연구원)

삼성의 경우 삼성종합기술연구원 중심으로 차세대 배터리 연구개발(R&D)을 진행합니다. 삼성SDI가 당장 2~3년 후를 보고 개발하는 데 비해 삼성종합기술연구원은 5년 그 이후를 내다보고 장기적 관점에서 연구하는 ‘투트랙’(two-track) 형태입니다. 2020년 3월 세계적 학술지 ‘네이처 에너지’(Nature Energy)에 원천기술을 발표했습니다. 향후 전고체 배터리의 음극 활물질엔 리튬금속을 쓰일 것으로 보이는데, 삼성종합기술연구원은 음극에 5㎛ 두께의 은·탄소 나노입자 복합층을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 적용해 충전하는 동안 음극에 리튬이온이 나뭇가지 모양의 결정체로 쌓이는 현상(덴드라이트)을 해결했습니다.

LG화학은 대전연구기술원에서 현재 상용화한 리튬이온 배터리부터 차세대 배터리까지 폭넓게 연구하고 있습니다. 2020년 9월엔 음극 활물질로 리튬메탈을, 양극 활물질로 황탄소 복합체를 쓴 리튬황 배터리를 국내에서 첫 시험했습니다. 리튬황 배터리를 탑재한 무인기는 고도 22㎞ 성층권까지 날아오르며 새로운 가능성을 보여줬습니다.

LG화학과 삼성SDI 모두 2020년대 중반께 전고체 배터리를 샘플 형태로 선보일 것이라고 예고했습니다. SK이노베이션(096770)은 기술혁신연구원이 오픈 이노베이션 형태로 선행 배터리 기술을, 그 산하 배터리연구소가 2~3년을 앞설 고밀도 배터리 등을 각각 연구합니다.

날개 위 태양전지판으로 충전해 나는 고고도 태양광 무인 항공기 ‘EAV-3’. 배터리로는 LG화학이 개발한 리튬황 배터리가 탑재됐다. (사진=LG화학)

완성차 업체도 전고체 배터리에 잇단 투자

토요타와 마찬가지로 완성차업체도 전고체 배터리에 꾸준하게 관심을 두고 있습니다. 주로 원천 기술을 보유한 스타트업 등에 투자하거나 아예 이들 기업을 인수하는 방식입니다. 현대자동차(005380)그룹은 지난 2018년 전고체 배터리 업체 아이오닉 머티리얼스(Ionic Materials)에 투자했습니다. 이 업체엔 혼다·미쓰비시도 투자했습니다.

이에 앞서 폭스바겐은 2012년부터 미국 스타트업 퀀텀스케이프(QuantumScape)와 협력해 전고체 배터리 개발에 뛰어들었습니다. 초기 1억달러를 투자한 데 이어 2020년 6월 2억달러를 추가로 투자할 정도로 돈독한 관계를 유지하고 있으며 2018년엔 전고체 배터리를 상업 생산할 수 있도록 합작법인을 세우기도 했습니다.

BMW는 2017년 12월 미국 배터리 업체 솔리드 파워(Solid Power)와 파트너십을 맺고 차세대 전고체 배터리를 개발해 2026년께 전고체 배터리 탑재 전기차를 내놓을 예정입니다. 메르세데스-벤츠는 2020년 2월 1990년대 초기부터 전고체 배터리를 개발한 하이드로-퀘벡(Hydro-Quebec)과 파트너십을 체결하고 더 가볍고 강력하면서도 안전한 배터리를 개발하기로 했습니다.

이같은 대규모 투자는 전고체 배터리 시장을 성장세로 이끌 것으로 보입니다. SNE리서치는 2030년 전고체 배터리 시장 규모가 138GWh로 2023년부터 2030년까지 연평균 66% 증가할 것이라고 전망했습니다. 그 비중은 정보기술(IT) 기기 등 소형에서 14.0%, 전기차·에너지저장장치(ESS) 등 대형에서 3.8%로 각각 점쳐졌습니다. 얼라이드마켓리서치(Allied Market Research)도 전고체 배터리 시장 규모가 2017년 5300만달러에서 2025년 14억800만달러로 연평균 49% 성장할 것이라고 예상했습니다.