토요타, 2027년 전고체 배터리 탑재 전기차 양산 추진

전기차 업계가 차세대 배터리 기술의 돌파구로 전고체 배터리에 시선을 집중하고 있다.

터키 기술 매체 테크놀로직은 11월 8일(현지시각) 토요타가 2027~2028년 출시를 목표로 전고체 배터리를 탑재한 전기차 양산을 추진하고 있다고 보도했다.


기존 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이의 이온 이동을 돕기 위해 액체 전해질을 쓴다. 전고체 배터리는 이 역할을 세라믹, 황화물, 고분자 같은 고체 소재에 맡긴다.

액체 전해질을 없애면 배터리 구조 설계 방식을 근본부터 바꿀 수 있다. 특히 리튬 금속 음극 사용의 길이 열려 에너지 밀도를 높이는 데 유리해진다.
액체 전해질은 과열이나 외부 충격 상황에서 발화 위험이 존재한다. 고체 전해질은 가연성 액체를 포함하지 않아 열 폭주와 화재 위험을 낮출 수 있다는 점이 안전성 측면의 주요 기대 요소다.

다만 전고체 배터리가 완전히 위험에서 자유롭지는 않다. 내부 손상, 단락, 고온 같은 조건에서는 여전히 안전 문제가 발생할 수 있어 완벽한 해결책으로 단정하기 어렵다.


전고체 배터리의 높은 에너지 밀도는 같은 무게 혹은 부피에서 더 많은 에너지를 담을 수 있다는 의미다. 이는 1회 충전으로 이동할 수 있는 거리를 늘리고, 배터리 팩 크기를 키우지 않고도 주행거리를 확대할 가능성을 열어준다.

배터리 무게가 줄면 차량 전체 무게가 가벼워져 에너지 효율 개선으로 이어질 수 있다. 도심 주행에서 전력 소비를 줄이고, 배터리가 차지하는 공간을 줄여 실내 활용도를 높이는 방향도 함께 검토된다.
적합한 전해질과 전극 설계를 갖추면 더 빠른 충전 속도를 지원할 수 있다는 연구도 있다. 그러나 충전 속도는 배터리 구조만으로 결정되지 않는다. 충전기 출력, 배터리 온도, 배터리 관리 시스템 등 복합 요인이 함께 작용한다.

배터리 수명 측면에서도 반복 충·방전에 따른 용량 손실을 줄이는 것이 개발 목표 가운데 하나다. 다만 전극과 고체 전해질 사이의 접촉이 시간이 지나면서 약해지는 문제가 실제 사용 환경에서 내구성을 좌우할 변수로 남아 있다.


기술 잠재력에도 대량 생산 앞에서는 넘어야 할 과제가 적지 않다. 고체 전해질 제조, 전극과의 결합, 대량 조립 공정은 모두 복잡한 기술을 요구하며 생산 비용을 끌어올리는 요인이다.

전극과 고체 전해질 사이의 접촉면 저항도 주요 과제다. 액체 전해질은 전극 표면을 고르게 덮기 쉬운 반면, 고체 소재는 계면에서 저항이 발생하기 쉽다. 이 저항은 에너지 효율, 충전 속도, 배터리 수명에 영향을 준다.

황화물계 전해질 소재는 습기와 공기에 민감해 제조·가공 과정에서 특수한 환경 조건이 필요하다. 연구실에서 작동하는 기술을 수백만 대 차량에 적용할 비용과 품질, 생산 규모를 갖추는 것은 별개의 문제다.

아울러 반고체 배터리와 완전한 전고체 배터리를 구분해야 한다. 반고체 시스템은 전해질에 액체나 젤 성분이 일부 포함된다. 완전한 전고체 배터리는 전해질 전체가 고체 구조다. 제조사가 발표하는 주행거리나 에너지 밀도 수치를 평가할 때 이 구분을 확인할 필요가 있다.

토요타는 전고체 배터리를 탑재한 전기차의 시장 도입 시점으로 2027~2028년을 목표로 삼고 있다. 배터리 내구성, 성능, 생산 비용이 개발 과정의 핵심 과제로 꼽힌다.

퀀텀스케이프와 삼성SDI도 각기 다른 고체 전해질과 셀 설계 방식을 연구하고 있다. 그러나 시제품 제작, 파일럿 생산, 상업 규모 대량 생산은 서로 다른 단계다.

기존 리튬이온 배터리는 대규모 공급망, 비용 경쟁력, 성숙한 생산 기반을 바탕으로 시장에서 자리를 지키고 있다. 삼원계와 리튬인산철 배터리 역시 에너지 밀도, 비용, 내구성 분야에서 개선이 계속되고 있다.

전고체 배터리가 전기차 시장에서 의미 있는 역할을 하려면 연구실에서 얻은 성능 수치를 적정 비용으로, 신뢰성 있게, 대규모로 재현해내는 것이 선행 조건이다. 이 조건이 충족될 때 전기차 사용 경험에 실질적인 변화가 나타날 수 있다.


진형근 글로벌이코노믹 기자 jinwook@g-enews.com