완성차 기업들이 배터리 개발과 생산에 본격적으로 뛰어들고 있다. 내연기관차 시절, 엔진을 통해 부가가치를 극대화했던 것처럼, 배터리 전기차 시대에서는 배터리가 핵심 요소다. 그것이 확보돼야 SDV 등 다음 단계로 나갈 수 있다. 토요타는 이미 오래전부터 개발을 시작했으며, 현대차그룹도 2030년 양산을 목표로 하고 있다. 혼다 역시 전고체 배터리 개발에 박차를 가하고 있으며, 여기에 메르세데스-벤츠도 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 도로에서 테스트 중이다. 전고체 배터리 관련 현황을 정리해 본다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)



지금 배터리는 반도체와 함께 자동차회사들의 최대 도전 과제다. 2022년 칼럼을 통해 썼던 말이다. 여전히 근본적인 변화는 없다. 더 많은 완성차업체가 내재화를 추진하고 있는 점이 달라졌다. 미•중 무역전쟁과 코로나19로 시작된 반도체 공급망 문제가 러시아와 우크라이나 전쟁으로 인해 배터리 원자재 문제로 확대됐다. 자원의 고르지 못한 분배 문제, 전 세계적인 인수 경쟁, 노동 문제 등으로부터 소재를 확보하는 것이 더 어려워진 것이다. 전기차를 대량 생산하더라도 필수 배터리를 조달하지 못할 위험이 있다는 것이다.

특히 미•중 패권전쟁의 틈바구니에서 세계는 지금 혼란에 빠져 있다. 트럼프 리스크가 현실화했다. 누구를 위한 것인지도 모를 정책을 남발하고 있다. 환경은 아예 뒷전이다. 그렇다고 트럼프 정책이 미국을 위한 것도 아니라는 것이 전문가들의 공통된 의견이다.

중국금융경제연구소 전병서 소장은 한국은 중국에 절대적으로 의존하는 원자재가 1,800종이 넘는다며 이 문제를 외교적으로 신속히 해결해야 할 과제라고 지적했다. 그중에서도 반도체의 원자재인 실리콘의 60%가 중국에서 생산되며 배터리의 원자재인 니켈도 중국기업들이 생산에 핵심적인 역할을 하고 있다. 리튬이온 배터리의 경우 음극 소재를 흑연에서 실리콘으로 대체하고 양극 소재도 값비싼 코발트 기반에서 하이니켈 기반으로 바꾸는 시도가 진행 중인데 그로 인한 원자재 문제도 간단하게 해결될 문제가 아니다.

당시 폭스바겐 그룹 부품자회사 CEO 토마스 슈말은 전고체 배터리를 사용한 자동차를 양산하는 자동차회사가 주도권을 장악할 것이라고 말했었다. 폭스바겐은 그 시기를 2025년~2026년으로 잡고 있다고 했었다. 그러나 아직은 시작 단계에 불과하다.




메르세데스는 미국의 배터리 개발 기업 팩토리얼 에너지와 협력하여 더 긴 주행 거리, 빠른 충전 속도, 높은 효율성을 갖춘 차세대 배터리를 개발하고 있다. 팩토리얼은 2024년 여름 자체 개발한 FEST(Factorial Electrolyte System Technology) 기반 전고체 배터리 셀을 최초로 출시했으며, 같은 해 9월에는 더욱 발전된 솔스티스(Solstice) 배터리를 공개했다. 이 배터리는 메르세데스의 차세대 전기차에 동력을 공급하기 위해 공동 개발 중이며, 황화물 기반 고체 전해질을 사용하는 것이 특징이다.

팩토리얼은 새로운 솔스티스 배터리가 450Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 제공하며, 현재 사용되는 리튬 이온 배터리보다 약 80% 더 긴 주행 거리를 가능하게 할 것이라고 강조했다.

메르세데스는 전고체 배터리를 탑재한 EQS 프로토타입을 도로에서 이미 테스트 중이다. 메르세데스는 이 배터리를 통해 주행 거리를 약 25% 연장할 수 있을 것으로 기대한다. 현재 EQS의 주행 거리는 WLTP 기준 511마일(약 822km)이지만, 620마일(약 997km) 이상 주행이 가능할 것이라는 분석이다.

팩토리얼은 기존 리튬 이온 배터리보다 무게를 40% 줄이고 크기를 33% 축소하여 600마일(약 965km) 이상의 주행 거리 확보를 목표로 하고 있다.

메르세데스-벤츠가 팩토리얼과 공동 개발한 리튬-메탈 고체 전해질 배터리를 탑재한 프로토타입은 현재 판매 중인 EQS 전기 리프트백을 기반으로 제작되었으며, 해외 WLTP 테스트 사이클 기준 1회 충전 주행거리 621마일(약 1,000km) 이상을 목표로 하고 있다. 이는 양산형 EQS의 최대 주행거리인 488마일(약 785km)보다 약 25% 증가한 수치다.

EQS 프로토타입에 탑재된 배터리 셀은 팩토리얼이 공급했으며, 메르세데스와 영국의 메르세데스-AMG 하이 퍼포먼스 파워트레인 부서가 이를 배터리 팩으로 통합했다. 배터리 팩에는 특허받은 플로팅 셀 캐리어와 공압식 액추에이터가 적용되어, 충•방전 과정에서 셀이 팽창하거나 수축하는 현상을 보완하도록 설계되었다.



EQS 프로토타입에 탑재된 고체 전해질 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 약 25% 높은 에너지 밀도를 갖는다. 지난해 메르세데스와 팩토리얼은 기존 리튬이온 셀 대비 거의 2배 높은 에너지 밀도(0.45kWh/kg)를 갖춘 배터리를 공개한 바 있다.

메르세데스는 2021년 팩토리얼과 고체 전해질 배터리 기술 개발 파트너십을 공식 발표했으며, 2024년 공동 성명을 통해 2030년 이전 상용화를 목표로 한다고 밝혔다. 상용화가 이루어질 경우, 메르세데스가 개발 중인 새로운 마이크로 컨버터 및 냉각 시스템 혁신 기술과 결합해 기존 리튬이온 배터리 셀과 고체 전해질 배터리를 동일한 팩 내에서 통합 운용하는 방안을 추진할 예정이다.

고체 전해질 배터리 기술 자체는 새로운 개념이 아니지만, 대량 생산과 상용화 과정에서 예상보다 많은 기술적 난관이 존재하는 것으로 알려져 있다. 이는 메르세데스뿐만 아니라 다른 완성차 및 배터리 제조업체들도 공통적으로 직면한 과제다.

팩토리얼은 현대자동차, 스텔란티스 등 주요 자동차 제조업체들과 협력하며 전고체 배터리 기술 발전을 가속화하고 있으며, 2030년까지 상용화를 목표로 하고 있다. 완성차 업계의 전고체 배터리 개발 경쟁이 점점 치열해지는 가운데, 이 기술이 전기차 시장에 가져올 변화에 대한 기대감이 높아지고 있다.

스텔란티스는 2021년 11월 30일, 전고체 배터리 기술을 미국 벤처기엄 팩토리얼 에너지(Factorial Energy)와 공동으로 개발하기 위한 계약을 체결했다고 발표했다. 이 거래에는 전략적 투자도 포함된다고 밝혔다. 팩토리얼 에너지는 전고체 배터리 기술을 개발하고 있다.

스텔란티스는 당시EV 데이에서 2026년까지 시판차에 전고체 배터리를 탑재하겠다고 발표했었다. 2030년까지 유럽 판매 차량의70%, 미국에서 승용차 및 픽업 트럭용 LEV가 40% 이상 차지할 것으로 예상했었다. 그냥 목표였다.



토요타는 일본 거대 석유회사 이데미쓰와 손잡고 전고체 배터리를 개발하고 있다. 2027년 또는 2028년에 상업 생산을 시작하고 2030년 이후에 양산을 목표로 하고 있다. 1 단계는 황화물 고체 전해질 개발 및 대규모 시범 시설 준비한다는 계획이다. 2단계는 대규모 파일럿 시설을 사용한 대량 생산이다. 이데미쓰는 황화물 고체 전해질 제조를 늘려 대량 생산 기술을 얻을 것이라고 한다. 3 단계는 미래의 전체 규모 대량 생산에 대한 연구다.

혼다도 2024년 11월, 전고체 배터리 시연 생산 라인을 공개했다. 혼다는 전고체 배터리를 자체적으로 개발하고 있다. 혼다는 단순히 실험실 수준의 기술을 확립하려는 것이 아니라 향후 몇 년 안에 대량 생산을 목표로 하고 있다고 밝혔다. 여러 차례 언급했듯이 전고체 배터리에 관해서는 업체들의 과장된 발표가 있어왔기 때문에 혼다의 경우도 지켜 봐야 한다.

혼다는 개발 속도를 높이기 위해 재료 사양과 제조 방법의 두 가지 주요 영역에서 신속한 연구를 수행하고 있다. 이 과정을 거쳐 2020년대 하반기에 전기차용 전고체 배터리의 양산을 시작할 계획이다. 그때까지 수율, 즉 생산성이 달성될 수 있을지가 관건이다.



중국의 CATL과 BYD도 이 신기술에 투자하고 있다. 전고체 배터리에 대해 부정적인 입장을 보였던 중국 CATL이 이미 시범 생산을 시작한 것으로 알려졌다. 예상보다 빠르게 전고체 배터리를 출시할 가능성이 커지고 있다. CATL은 2024년 11월, 20Ah 용량의 전고체 배터리 샘플 시험 생산 단계에 진입했다고 보도했다. 이를 위해 CATL은 올해 연구개발(R&D) 팀에 1,000명 이상의 인력을 추가했다.

CATL은 현재 황화물 기반 전고체 배터리 개발의 최종 단계에 집중하고 있으며, 이미 20Ah 샘플의 시험 생산을 시작했다고 밝혔다. 이 솔루션은 리튬 삼원 배터리의 경우 최대 500Wh/kg의 에너지 밀도를 가지며, 이는 기존 배터리보다 약 40% 높은 수치다. 20Ah 용량이 완성되면 다음 단계인 생산 기술 탐색을 위한 준비가 완료되며, 이후 생산성 검증 단계로 넘어갈 수 있다는 설명이다. CATL은 2027년에 전고체 배터리를 소량 생산하는 것을 목표로 하고 있다고 밝혔다.

BYD의 배터리 사업부는 2027년에 최초의 전고체 배터리 구동 EV를 출시할 것으로 예상했다. BYD는 2027년까지 황화물 기반 전고체 배터리의 소규모 생산을 시작할 계획이다. 또한, 중국 최대 국영 자동차 제조업체 중 하나인 FAW 그룹도 2027년까지 전고체 배터리의 소규모 적용을 목표로 하고 있다고 밝혔다. FAW 그룹은 2014년부터 전고체 배터리 개발에 전념해 왔으며, 차량 제조 부문의 요구에 맞춰 연구를 진행해왔다고 덧붙였다.

중국 업체들은 전고체 배터리가 2030년까지 주류 전기차에 통합될 것으로 전망하고 있다.



기아를 포함한 현대자동차그룹은 빨라도 2030년까지는 전고체 전기차 배터리를 출시하지 않을 것으로 예상했다. 많은 불확실성이 있다는 것이다. 기아는 2025 EV데이에서 새로운 배터리 기술이 대부분의 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡하다고 설명했다. 2030년 이전에는 이 배터리를 상용화할 수 없다는 의견일 피력했다. 메르세데스 벤츠가 시험 주행을 하고 있지만 그렇게 간단치 않다는 것이다.

대다수의 업체들은 2030년을 전고체 배터리 상용화의 시점으로 보고 있다. 그러니까 지금은 토요타를 비롯해 메르세데스 벤츠, 스텔란티스, 혼다, 중국 배터리 대기업 CATL 및 BYD등이 경쟁하고 있는 상황이다. ​

대부분의 경우와 마찬가지로 BYD와 CATL도 빨라도 2030년까지는 새 배터리를 양산하지 않을 것으로 예상된다. 그러나 그마저도 지금으로써는 희망사항이다. 이후에 수율을 맞추는데도 많은 시간이 필요하다.


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