차량용 리튬이온 배터리, 시장경쟁 본격 점화

2009년에는 리튬이온 배터리가 차량에 탑재될 것이라는 전망이 더욱 힘을 얻게 됐다. 주요 자동차 메이커들이 이산화탄소 배출 규제에 대응하기 위한 노력의 일환으로 리튬이온 배터리를 이용하는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 출시 계획을 잇달아 발표하고 있기 때문이다. NE Asia-Korea


일본의 닛산 자동차(Nissan Motor), 미쓰비시 자동차(Mitsubishi Motors), 후지 중공업(Fuji Heavy Industries) 등과 함께 미국의 제너럴 모터스(General Motors), 독일의 다임러(Daimler)와 아우디(Audi) 같은 자동차 회사들이 리튬이온 배터리의 자동차 장착에 대한 구체적인 계획들을 잇달아 발표함에 따라, 리튬이온 배터리가 장착된 하이브리드 자동차나 전기 자동차, 그밖에 다른 차량들이 2009년에는 일반 도로를 질주할 것으로 보인다(그림 1).

자동차 제조회사들은 점점 강화되고 있는 차량에 대한 환경 규제에 대응하기 위해 리튬이온 배터리 채택을 서두르고 있다. 자동차 회사들은 하이브리드 자동차(HEV) 및 전기 자동차(EV)를 포함한 전기 구동 차량의 생산을 늘림으로써, 엄격한 환경 규제를 통과하고자 한다.
예를 들어 유럽의 자동차 회사들은 최대 이산화탄소 배출량 120g/km의 기업평균연비(Corporate Average Fuel Economy, CAFE) 규제를 준수해야 한다. 미국에서는 자동차 회사들이 기업평균연비 35마일/갤런(약 14.8km/L)을 달성해야 하는 연료당 운행 규제가 2020년부터 발효될 예정이다.
리튬이온 배터리는 예전의 니켈수소(NiMH) 배터리에 비해 단위 충전 용량은 더 커지고, 물리적 부피는 더 작아진 장점이 있다. 최근까지는 리튬이온 배터리의 안전성이 주요 쟁점이었으나 소재 면에서의 지속적인 개선 노력 덕분에 이제는 "리튬이온 배터리가 컨수머 차량에 사용될 수 있을 만큼 신뢰성이 향상되었다"고 한 자동차 회사의 엔지니어는 말했다.
배터리 분야 선두 제조업체인 일본 산요 전기(Sanyo Electric)의 미츠루 홈마(Mitsuru Homma) 디렉터 겸 부사장은 "우리는 앞으로 자동차용 니켈수소 배터리 생산을 더 이상 늘리지 않을 계획이며, 모든 수요를 리튬이온 배터리로 충당할 것"이라고 밝혔다. 그의 이러한 발언은 자동차용 배터리 산업이 니켈수소 배터리에서 리튬이온 배터리로 전환하고 있음을 시사하는 것이다.

배터리 가격 문제
리튬이온 배터리를 차량에 사용하고자 할 때 해결해야 할 가장 큰 문제는 배터리 가격을 낮추는 일이다. 현재 자동차용 리튬이온 배터리 비용은 KWh당 20만엔 수준인데, 이는 일반적으로 사용되는 니켈수소 배터리보다 두 배 이상 높은 가격이다.
자동차용 리튬이온 배터리는 현재 컨수머 제품에 사용되고 있는 리튬이온 배터리와 소재나 셀 모양 등에서 차이가 있다. 다시 말해 자동차용 배터리 생산을 위해서는 컨수머 제품용 리튬이온 배터리 제조에 사용되는 것과는 다른, 새로운 소재의 조달 및 신규 제조 설비의 도입이 요구된다는 것이다. 하지만 아직은 이 시장이 초기 단계여서 리튬이온 배터리의 공급량은 적고, 총 배터리 비용(조달 비용 및 자본 비용 등 포함)은 높다.
현실이 그러하므로, 일본의 몇몇 자동차 회사들은 배터리 제조업체들과 합작 투자 회사를 설립하여 리튬이온 배터리의 대량 생산에 직접 나서고 있다. 일본의 토요타 자동차(Toyota Motor)가 하이브리드 자동차 '프리어스(Prius)'를 시장에 출시할 때, 바로 이 사업모델을 채택하여 니켈수소 배터리의 대량 생산을 위해 마쓰시타 전기산업(Matsushita Electric Industrial)과 합작 투자 회사를 설립한 바 있다.
이러한 접근법을 통해 자동차 회사는 배터리 제조업체와의 협력 개발로 자사 특유의 하이브리드 시스템에 최적화된 배터리를 장착할 수 있으며, 배터리 제조업체는 자동차 회사의 자본력에 의지하여 투자에 대한 위험성을 최소화할 수 있다. 일단 이 둘의 협력이 이루어진다면 리튬이온 배터리 생산의 중장기적인 진행이 가능할 것으로 보인다.
합작 투자 회사를 통한 배터리 생산에 단점이 없는 것은 아니다. 바로 배터리 제조업체가 다른 자동차 제조회사에는 제품을 판매하기가 어렵다는 것이다. 가령 파트너 자동차 회사의 차량 판매가 저조할 경우에는 생산 규모에 해당하는 이득을 누릴 수가 없게 되므로 합작 투자 회사의 존립 근거가 약해지게 된다.
그럼에도 불구하고 닛산 자동차는 일본 NEC그룹과 합작으로 'AESC(Automotive Energy Supply Corp)'를 설립했고, 미쓰비시 자동차는 GS 유아사(GS Yuasa) 및 미쓰비시 자동차의 모회사인 미쓰비시 코퍼레이션과 합작하여 '리튬 에너지 재팬(Lithium Energy Japan)'을 설립했다.
두 회사 모두 합작회사 설립을 통해 시장에서 유리한 입지를 확보했다고 주장하고 있으며, 또한 다른 자동차 제조회사에도 배터리를 공급할 수 있게 되기를 희망하고 있다. AESC는 자사의 고성능 리튬이온 배터리가 품질과 관련하여 닛산의 '인증 마크'를 획득했음을 자랑하고 있으며, 리튬 에너지 재팬은 자동차용 리튬이온 배터리를 대량으로 제조하는 세계 유일의 업체임을 강조하고 있다.

합작 제조사 기피 현상
일본에서는 이처럼 자동차 회사와 배터리 제조회사 간의 합작 투자 회사 설립 추세가 탄력을 받고 있지만, 다른 외국 자동차 회사들에서는 찾아보기 힘든 모습이다. 기껏해야 이들은 배터리 제조업체들과 협력하여 설계를 개발하는 정도이다. 최근 다임러, GM, 아우디 등은 모두 리튬이온 배터리를 사용하는 하이브리드 자동차의 출시 계획을 발표했는데, 이들은 배터리 제조업체들이 자신들을 위한 대량 생산 설비를 구축하여 배터리를 공급해 줄 것으로 예상하고 있다. 배터리 제조업체와의 합작 회사 설립은 그들의 계획에 포함되어 있지 않다.
다임러는 2009년 출시 예정인 디젤 하이브리드 자동차에 미국의 JCS(Johnson Controls-Saft Advanced Power Solutions LLC)가 제조하는 리튬이온 배터리를 사용할 계획이다. GM은 2010년에 출시될 하이브리드 자동차에 일본의 히타치 비히클 에너지(Hitachi Vehicle Energy)가 제조하는 리튬이온 배터리를 사용할 예정이다. 2010년 출시 예정인 GM의 플러그인 하이브리드 자동차에 사용될 리튬이온 배터리는 두 건의 각각 독립된 협력 프로젝트를 통해 개발이 진행되고 있는데, 각 프로젝트별 협력사는 LG화학과 미국의 A123 시스템즈(A123 Systems)이다.
아우디는 리튬이온 배터리를 탑재하는 하이브리드 자동차를 2010년에 출하한다는 계획을 모회사인 독일의 폭스바겐(Volkswagen)에 밝혔다. 이 하이브리드 자동차에는 산요 전기가 생산하는 리튬이온 배터리가 장착될 예정이다. 현대 자동차는 2009년 출시 예정인 하이브리드 자동차에 LG화학이 제조하는 리튬이온 배터리를 사용할 계획인 것으로 보이며, 노르웨이의 씽크 노르딕(Think Nordic)은 2009년 출시 예정인 EV 경차 '씽크(Th!nk)'에 미국의 에너델(EnerDel)과 A123 시스템즈의 리튬이온 배터리를 사용할 계획이다.
현재 자동차용 리튬이온 배터리에 관심을 보이는 기업들은 상당수에 달한다. 삼성SDI와 SK를 비롯하여 일본의 도시바(Toshiba), 무라타 제작소(Murata Manufacturing) 등이 대표적이며, 이들 외에도 많은 회사들이 경쟁 대열에 뛰어들고 있다. 컨수머 기기용 리튬이온 배터리 시장에 배터리를 공급했던 선두 배터리 제조업체들이 도태된 것과 같이, 향후에는 자동차용 배터리 공급업체들도 가격 경쟁을 통해 옥석이 가려질 것이다.
리튬이온 배터리에 기반을 둔 자동차 생산에 대한 계획들이 속속 발표되고 있기는 하지만, 리튬이온 배터리를 사용하는 자동차의 비율은 2010년까지는 매우 저조한 수준일 것으로 예상된다(그림 2). 리튬이온보다는 니켈수소 배터리가 여전히 가장 일반적인 추세로 지속될 것으로 보인다.

토요타의 애매한 태도
전세계적으로 가장 많은 하이브리드 자동차를 판매하고 있는 토요타 자동차의 움직임에 주목할 필요가 있다. 2008년 5월, 토요타는 니켈수소 배터리 생산을 위한 신규 설비를 일본 미야기 현에 건설하기 위해 3백억 엔을 투자할 계획이라고 발표했다. 이를 통해 토요타는 2010년부터 연간 20만 대의 차량을 충당하기 위한 니켈수소 배터리 생산에 착수할 계획이다.
업계의 몇몇 관계자들은 토요타 자동차가 니켈수소 배터리 생산을 늘리고 있는 이유를 리튬이온 배터리의 자체 개발이 지연되고 있기 때문이라고 분석하고 있다. 토요타 자동차는 애초에 리튬이온 배터리가 장착된 프리어스의 신차 발표를 2008년으로 계획했는데, 현재 이 계획은 2009년으로 미뤄진 상태다. 업계에는 토요타가 리튬이온 배터리를 완전히 포기했다는 소문도 떠돌고 있다. 토요타 자동차는 2010년 상용 플러그인 하이브리드 자동차 판매 계획을 발표했다. 어떠한 경우든 간에, 토요타 자동차의 리튬이온 배터리의 대량 생산 계획이 업계의 초미의 관심사인 것만은 확실하다.
2008년 5월 12~16일, 미국 플로리다 탬파(Tampa)에서 개최된 AABC(Advanced Automotive Battery & Ultracapacitor Conference & Symposia)에서는 자동차 메이커들과 배터리 제조사들로부터 수 많은 설명회가 이루어져, 광범위하게 판매되고 있는 리튬이온 배터리에 대한 업계의 관심이 어느 정도인지를 짐작케 했다. 미쓰비시 자동차와 합작 회사를 설립한 GS 유아사, 닛산 자동차와 NEC의 합작 회사인 AESC는 각각 현재 활용 가능한 리튬이온 배터리에 대해 발표하였다.

대규모 투자
GS 유아사는 하이브리드 자동차용 고출력 배터리 EH6와 EV용 대용량 배터리 LEV50를 개발 중이다. 이 회사의 리튬이온 배터리는 코발트, 니켈, 망간이 혼합된, 이른바 '3 원소(Three Element)'라 불리는 3원계(LiNiCoMnO2) 음극 소재를 사용한다.
EH6은 6Ah의 전류 용량과 3.7V의 전압, 67.1Wh/kg의 중량 효율(Weight Energy Density)을 갖는다. EH6는 -30℃에서도 90%의 용량을 유지할 수 있는 매우 뛰어난 저온 특성을 나타낸다. 50% SOC(충전 상태)에서의 10s 출력은 1200W(3600W/kg)이며, 20~70% SOC에서의 1s 출력은 최소 1000W에 달한다.
미쓰비시 자동차와 그밖에 몇몇 회사들에 의해 설립된 리튬 에너지 재팬은 EV용 리튬이온 배터리의 대량 생산 라인에 40억 엔을 투자했다. 2009년 연간 생산량 20만 셀을 시작으로, LEV50의 초기 생산분은 미쓰비시 전기의 'i MiEV' 전기 자동차에 사용될 예정이다.
LEV50은 50Ah의 전류 용량과 109Wh/kg의 중량 효율을 갖고 있으며, 고전류 방전(300A)에서도 88%의 용량을 유지할 수 있다. 저온 특성도 뛰어나 -25℃에서 86%의 용량을 유지한다. 25℃에서는 완전 충전 및 방전을 1천 회 반복한 후에도 용량이 85% 이하로 떨어지지 않는다.
GS 유아사는 또한 대형 셀에 사용할 목적으로, 탄소담체(Carbon Support)를 이용한 리튬철인산염(LiFePO4)계 음극 소재를 자체 개발 중이라고 발표했다. 현재 산업용으로 시판되고 있는 115×47×170mm 크기의 LIM40 사각 셀을 사용한 실험 결과에서 고전류(400A) 방전에서도 용량 손실이 거의 없음이 증명되었다(그림 3). 탄소담체가 없는 이전 설계에서는 400A 방전 후의 용량이 40A 방전 후 용량의 절반으로 감소하였다.

대량 생산
AESC는 하이브리드 자동차용 고출력 배터리 L3-3와 전기 자동차용 대용량 배터리 L3-10을 개발 중이다. 이 회사는 음극 소재로 니켈 첨가 리튬망간산화물(LiMn2O4)을 사용하고 있다. L3-3은 3.7Ah의 전류 용량과 3.6V의 전압 및 63Wh/kg의 중량 효율을 갖는다. 50% SOC에서의 10s 출력 특성은 2250W/kg에 달한다. 대용량 L3-10의 전류 용량은 13Ah이고, 중량 효율은89Wh/kg이다.
AESC는 2008년 5월 19일, 자동차용 리튬이온 배터리 생산을 발표했다. 향후 3년 이내에, 투자금 1백 20억 엔 규모의 신규 생산 라인이 닛산 자동차의 자마 공장(Zama Plant)에 건설될 예정이다. 이곳에서는 2009 회계연도까지 하이브리드 자동차와 전기 자동차를 포함하여, 연간 약 1만 3천 대의 차량에 사용될 배터리(1백 60만 셀)를 생산할 예정이며, 2011 회계연도까지는 6만 5천 대 분으로 생산량을 늘릴 계획이다.
이번 AABC에서는 많은 분리막 제조업체들이 자사의 제품이 하이브리드 자동차의 리튬이온 배터리용으로 적합하다는 것을 강조하는 프레젠테이션을 선보였다. 일본의 아사히 카세이 케미칼(Asahi Kasei Chemicals)도 그 중 하나로, 필터에 무기(Inorganic) 소재를 사용하는 분리막을 발표했다.
핵심 포인트는 모바일 기기용 리튬이온 배터리 분리막의 대량 생산 라인을 지금 그대로 사용할 수 있기 때문에 제조 비용을 지금과 같은 수준으로 떨어뜨릴 수 있다는 것이다. 새로 개발된 분리막은 안전성이 보장되어 있고, 50~70%의 기공률(Porosity)을 사용함으로써 전기 저항을 이전에 비해 절반으로 절감하였다. 파괴 강도는 4.9N(500gf) 또는 그 이상이다.

보다 저렴한 니켈아연 배터리
눈길을 끈 전시품 중 하나는 미국 파워제닉스(PowerGenix)의 니켈아연(Ni-Zn) 배터리로, 기존의 니켈수소 배터리보다 더 작고 더 저렴하다. 파워제닉스는 또한 이 새로운 배터리를 사용하는 프리어스 시제품도 선보였다(그림 4).

니켈아연 배터리의 전압은 1.6V로, 니켈수소 배터리 전압보다 0.4V 더 높다. 이 회사 관계자에 따르면 출력 밀도는 니켈수소 배터리보다 30% 증가한 반면, 중량은 40%가 줄어들고 가격은 절반으로 낮아졌다.
프리어스에 장착된 배터리는 1백20 셀이며, 셀 각각의 전력 용량은 10.4Wh(전류 용량 6.5Ah)이다. 셀의 중량 효율은 90Wh/kg, 중량 출력 밀도는 2500W/kg이다. 그동안 니켈아연 배터리는 결정(Dendrite) 성장 및 아연 전극 형상의 다양성과 그밖에 다른 요인들로 인해 충방전 서비스 수명 문제가 지적되어 왔으나, 파워제닉스는 전해질과 전극을 비롯한 다방면에 걸친 개선을 통해 니켈수소 배터리와 동등한 서비스 수명을 확보했다고 밝혔다.

코지 카리아츠마리(Koji Kariatsumari)

웹사이트:
A123 Systems: www.a123systems.com
Asahi Kasei Chemicals: www.asahi-kasei.co.jp
Audi: www.audi.com
Daimler: www.daimler.com
EnerDel: http://enerdel.com
Fuji Heavy Industries: www.fhi.co.jp/english
General Motors: www.gm.com
GS Yuasa: www.gs-yuasa.com/us
Hitachi Vehicle Energy: www.hitachi-ve.co.jp/en
Hyundai Motor: www.hyundai-motor.com
LG Chem: www.lgchem.co.kr
Lithium Energy Japan: http://lithiumenergy.jp/en
Mitsubishi Motors: www.mitsubishi-motors.com
Mitsubishi: www.mitsubishicorp.com/en
Murata Manufacturing: www.murata.com
NEC Group: www.necgroup.co.uk
Nissan Motor: www.nissan.co.jp/EN
PowerGenix: www.powergenix.com
Samsung SDI: www.samsungsdi.com
Sanyo Electric: www.sanyo.com
SK Corp: http://eng.skcorp.com
Think Nordic: www.think.no
Toshiba: www.toshiba.com
Toyota Motor: www.toyota.co.jp/en
Volkswagen: www.volkswagen.com