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오래 지속되고 있는 전고체 배터리 개발 기술은 비교적 빨리 상용화될 수 있다면 실제 솔루션 일부가 될 수 있다는 것이다. 전고체 배터리는 반복적으로 급속 충전 시에 복잡성 감소 및 안전성 증가, 성능 저하 감소 등 EV(전기자동차)에 대한 수많은 약속을 담고 있다.
일부 분석가는 특히 세라믹 전해질에 대한 의존성을 고려할 때 고체 배터리의 견고성에 의문을 제기한다.
액체 전해질이 없는 전고체 배터리는 수소 자동차와 같이 오랫동안 모퉁이를 돌고 있었다. 그러나 마침내 상용화가 한층 가까이 다가오고 있으며 안전성, 무게 및 에너지 밀도 면에서 기존 리튬 이온에 비해 이점이 있는 것과 함께 배터리 손상을 줄이면서 정기적으로 급속 충전할 수 있는 잠재적 기능이 추가되었다고 이 회사는 주장한다.
미국 캘리포니아 산호세에 본사를 둔 퀀텀스케이프는 최근 세라믹 고체전해질 분리막이 있는 배터리 셀(지구상 풍부한 물질로 제작)이 10~80% 급속 충전의 400주기를 거쳤다는 데이터를 발표하였으며 이는 16만 마일을 주행하는 것과 같다는 것이다. 그리고 퀀텀스케이프의 최고 마케팅 책임자인 아심 후세인(Asim Hussain)에 따르면 "다양한 온도에서 용량의 80% 이상"을 유지한다. 이 온도 범위는 섭씨 25도(화씨 77도)에서 섭씨 45도(화씨 113도)까지라고 이 회사는 설명했다.
그는 자사가 이런 충전에 15분이 소요되는 것을 목표로 하고 있다고 밝혔다. 후세인은 후자가 "단지 반복되는 고속충전을 위해 설계되지 않았을 뿐"이라고 강조했다.
퀀텀스케이프의 백서에 따르면 "기존 리튬 이온 배터리의 반복적인 급속 충전은 여러 가지 영향으로 인해 사이클 수명을 저하시킨다. 즉 이런 급속 충전이 음극 흑연 입자 표면의 반응으로 리튬 손실을 가져 오는데다, 에너지 고밀도 셀의 빠른 충전에 필요한 높은 전류 밀도가 온도를 상승시키고 온도 상승이 분해를 가속화하여 수명을 떨어뜨린다는 것이다.
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퀀텀스케이프는 테스트 자동차에 사용할 수 있는 배터리 셀 샘플을 2023년까지 생산하고, 2024년~2025년 제3자에 대한 판매(상용화)를 목표로 하고 있다.
퀀텀스케이프는 "에너지 보존을 위해 상당한 손실을 입지 않고 수백 사이클에 걸쳐 반복적으로 고속 충전을 할 수 있는 기능을 개방하고 있다"고 말한다.
미국 자동차 전문 매체 오토위크(Autoweek)는 4월에 20만마일의 테슬라 모델 S(Tesla Model S)와 100마일의 유효 주행 거리와 같이 높은 주행 거리에 도달한 오늘날의 EV의 배터리 성능 저하에 대해 썼다. 전고체가 해결할 수 있는 실제 현상이다. BMW와 포드는 미국 콜로라도에 기반을 둔 전고체 배터리 회사인 솔리드 파워(Solid Power) 주요 투자자이다. 이 회사는 기존 리튬 이온에 비해 배터리 에너지 밀도가 50~80% 증가했다고 주장한다.
솔리드 파워는 5번째 주기마다 고속 충전 방식으로 고함량 실리콘 양극 전지를 테스트했으며 650회 주기 후에 81% 용량 유지를 발견했다. 솔리드 파워는 5주기마다 급속충전이 "소비자 행동에 더 부합한다"라고 말했다. 솔리드 파워는 또한 리튬 금속 양극 솔리드 스테이트 배터리가 36만9000마일과 1000번 이상의 사이클을 지속할 것으로 기대하고 있다.
솔리드 파워는 이메일에서 2025년에 실리콘 EV 셀 생산을 예상하고 있으며 이러한 배터리를 사용하는 차량은 1년 후인 2026년에 출시될 것이라고 밝혔다.
가이드하우스 인사이트(Guidehouse Insights)의 수석연구 분석가인 샘 아부엘사미드(Sam Abuelsamid)는 전고체 배터리에 대한 인터뷰에서 "급속 충전시 배터리를 손상시키는 것은 열이며, 벤치에 하나의 셀을 놓고 급속 충전 및 방전을 하면 그 온도를 잘 제어할 수 있다. 그래서 그것이 얼마나 대표적인 것인지 잘 모르겠다"라고 말했다.
가이드하우스 인사이트는 오늘날 빠르게 변화하고 규제가 엄격한 산업에 새로운 기술 연구, 데이터 및 벤치마킹 서비스를 제공하는 시장 정보 기업이다.
아부엘사미드는 "이론적으로 고체배터리가 덴드라이트(dendrites)가 형성되지 않아 급속충전 열화를 줄일 수 있는 가능성이 있다. 하지만 변수가 많다. 전고체 배터리가 관련 문제를 해결하는 마법의 총알(열쇠)이 되지는 않겠지만, 도움이 되는 요소가 될 수 있다고 말하고 싶다"라고 덧붙였다.
전고체 배터리는 기다리는 게임이다. 일본 도요타가 시장에 첫 번째 OEM(Original Equipment Manufacturer)이 될 가능성이 있다. OEM은 주문자 상표 부착 생산이다.
도요타 수석과학자이자 연구소장인 길 프랫(Gill Pratt)은 올해 초에 회사가 2025년까지 더 작은 배터리를 하이브리드 차에 탑재하기를 희망한다고 말했다. 그러나 도요타는 또 "초기 프로토타입 배터리에 피해를 입히는 반복적인 충전을 통해 배터리 수명문제를 보고하고 있다"고 미국 자동차 애호가 잡지 카 앤 드라이브(Car and Driver)는 밝혔다. 이는 더 많은 개발작업이 앞에 놓여 있다는 신호이다.
닛산(Nissan)은 전고체배터리가 장착된 첫 번째 EV 출시를 2028년을 목표로 하고 있으며 GM은 혼다와 협력 하여 전고체 배터리를 사용할 수 있는 저렴한 EV(3만 달러 미만)를 개발하고 있다. 최대 주행거리 600마일 범위가 목표이다. 일부전문가들은 2030년을 고체 상업화의 획기적인 해로 보고 있지만 다른 전문가들은 회의적이다.
매사추세츠 공과대학(MIT)의 재료 화학 교수이자 오랜 배터리 연구원인 도널드 새도웨이(Donald Sadoway)는 퀀텀스케이프 및 기타 고체 상태 회사가 10년 중반까지 상업화 시작을 예측하는 것이 정당한지 질문을 받았다.
그는 이메일을 통해서 "놀라운 주장에는 놀라운 증거가 필요하다. 나는 설득력 있는 증거를 제시한 퀀텀스케이프의 데이터를 본 적이 없다. 나는 도자기가 깨지기 쉽고 부서지기 쉽다는 것을 알고 있다. 높은 저항으로 인해 기생적으로 전력 출력을 떨어뜨리지 않고 배터리에서 작동하려면 세라믹 전해질이 얇아야 하는데, 이는 더 취약함을 의미한다. 이는 매우 어려운 문제이다"라고 대답했다.
도널드 새도웨이는 배터리분야의 저명한 전문가이며 휴대용 전원의 성능과 수명을 향상시키는 방법에 대해 상당한 연구를 수행하였다. 그는 광석에서 금속을 추출하는 전문가이자 탄소 환원제를 사용하지 않고 조강을 생산해 온실가스 배출을 완전 제거할 수 있는 잠재력을 지닌 용융 산화물 전기분해의 발명가이다.
퀀텀스케이프는 "우리는 주장하는 것이 아니라 데이터를 보여준다. 전력 문제와 관련해 우리는 표준 자동차 테스트 조건하에서 한 번이 아니라 반복적으로(400회 충전-방전 주기) 15분 내에(10%에서 80%까지) 충전할 수 있는 능력을 보여주는 데이터를 발표했다"라고밝혔다. 이 회사는 또 자사 세라믹 필름이 "강력하다"고 평가했으며, "에너지 보전에 큰 손실을 일으키지 않으면서 수백 사이클에 걸쳐 반복적으로 급속 충전하는 능력을 해결하는" 연구라고 덧붙였다.
김세업 글로벌이코노믹 기자
