토요타 첨단 배터리 기술 로드맵

토요타자동차(Toyota Motor Corporation, 이하 토요타)가 지난 6월 BEV 팩토리(BEV Factory)를 런칭하면서 2026년에 차세대 BEV(Battery Electric Vehicles, 배터리전기자동차)의 양산을 시작할 것이라고 밝혔다. 또한 10분 만에 80% 이상 충전이 가능하고 항속거리 1000 km를 지원하는 전고체배터리 기술 로드맵을 공개했다. 

지난 6월 13일 토요타는 “자동차의 미래를 바꾸자(Let’s change the future of cars)”라는 주제로 열린 기술 워크숍(TOYOTA TECHNICAL WORKSHOP 2023)에서 첨단 배터리 기술의 출시 계획을 포함해 차세대 BEV 혁신 기술에 대한 인사이트를 소개했다.

토요타 BEV 팩토리의 카토 다케로(Kato Takero) 사장은 차세대 BEV를 2026년에 출시할 것이며, 토요타가 2030년에 판매를 목표로 하는 350만 대의 BEV 중 170만 대가 이러한 차세대 모델이 될 것이라고 밝혔다. 

토요타는 액체 전해질과 고체 전해질을 모두 적용한 최첨단 기술을 포함한 4가지 차세대 배터리를 공개하고, 고체 전해질 배터리 기술의 두 가지 추가 단계를 선보였다.

액체 전해질 배터리의 성능 향상

토요타는 BEV의 주류 기술인 액체 전해질 배터리의 에너지 밀도, 가격 경쟁력, 충전 속도를 개선하기 위해 추가 개발을 진행하고 있다. 
현재 개발 중인 액체 전해질 배터리 기술은 ‘Performance’(퍼포먼스), ‘Popularised’(보급형), ‘High Performance’(고성능) 등 3가지이다. 

퍼포먼스[리튬이온]
2026년에 출시될 차세대 BEV에 탑재될 예정인 퍼포먼스 리튬이온배터리는 개선된 공기역학, 차량 중량 감소와 함께 BEV의 항속거리를 800 km 이상으로 늘리고 현재 bZ4X BEV 대비 20% 더 저렴하게 출시 예정이다.

• 원가 20% 절감(현재 bZ4X BEV 대비)
• 20분 이내의 급속 충전(SOC = 10~80%)
• 2026년 출시 예정

보급형[리튬인산철배터리(Lithium Iron Phosphate, LFP)]
토요타는 다양한 배터리 옵션을 제공함으로써 BEV의 넓은 선택의 폭을 제공하기 위해 고품질의 보급형(lower-cost) 배터리를 개발하고 있다.
보급형 배터리는 토요타가 니켈수소(NiMh) 하이브리드 전기차 배터리를 통해 개척하고 확인한 바이폴라(Bipolar, 양극성) 기술과 저렴한 리튬인산철(LiFePO)을 사용해 제조된다. 
토요타는 보급형 LFP가 30분 이내에 80% 이상 충전이 가능하고, 현재 bZ4X BEV 대비 40% 더 저렴하며 항속거리도 20% 더 길다고 소개했다.

• 항속거리 20% 연장(현재 bZ4X 대비)
• 비용 40% 절감(현재 bZ4X 대비)
• 30분 이내의 빠른 충전 시간(SOC = 10-80%)
• 2026~27년 출시 예정

 
고성능[리튬이온]
토요타는 바이폴라 구조와 리튬이온 화학 및 하이니켈 양극재의 결합과 함께 공기역학 개선과 차량 중량 감소를 통해 항속거리를 1000 km 이상 늘릴 수 있는 고성능 배터리를 개발하고 있다.
고성능 배터리는 20분 만에 80% 이상 충전이 가능하고, 퍼포먼스 배터리보다 10% 더 저렴한 가격에 선보일 예정이다. 

• 퍼포먼스 배터리 대비 10%의 추가 비용 절감
• 20분 이내의 급속 충전(SOC = 10~80%)
• 2027~28년 출시 예정

전고체배터리[리튬이온]를 통한 혁신

전고체배터리는 고체 전해질을 사용하므로 이온 이동 속도가 빠르고 고전압과 온도에 대한 내성이 우수하다. 이러한 특성으로 인해 전고체배터리는 급속 충전 및 방전에 적합하고 더 작은 형태로 더 많은 전력을 공급할 수 있다.
토요타는 2027~28년 중에 전고체배터리의 상용화를 목표로 하고 있다. 당초 전고체배터리를 하이브리드 전기차(HEV)에 도입할 예정이었지만, 현재 주로 차세대 BEV에 중점을 두고 있다. 
토요타에 따르면, 토요타의 첫 번째 전고체배터리는 10분 만에 80% 이상 충전이 가능하고, 항속거리가 퍼포먼스 배터리 대비 20% 늘어난 약 1000 km이다. 

• 퍼포먼스 배터리 대비 항속거리 20% 증가(약 1000 km)
• 10분 이내의 고속 충전 시간(SOC = 10-80%)

토요타는 퍼포먼스 배터리 대비 50%의 주행거리 향상을 목표로 더 높은 사양의 리튬이온 전고체배터리를 개발하고 있다.

배터리 높이 최적화를 통해 주행거리 연장

공기역학은 모든 차량의 주행거리를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 토요타는 전면적의 승수효과로 인해 차량의 주행 가능 거리에 훨씬 더 큰 영향을 미치는 CdA(Cd: 공기 저항 계수, A: 전면적, 바람을 받는 면적)에 초점을 맞추고 있다. 
배터리 높이를 낮출 수 있다면 차량의 전체 높이를 낮출 수 있고, CdA를 개선할 수 있으며, 결과적으로 주행거리를 늘릴 수 있다. 토요타는 더 평평한 배터리 기술을 개발하고 있다.
현재 bZ4X의 배터리 팩 높이는 케이스를 포함해 약 150 mm이다. 토요타는 배터리 높이를 120 mm로 낮추고, 낮은 힙(Hip) 포지션이 요구되는 고성능 스포츠카의 경우 100 mm까지 낮출 계획이다.
토요타는 낮은 배터리 높이가 차량에 배터리를 어떻게 배치하느냐에 따라 주행거리, 주행 몰입, 패키징에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대하고 있다. 

토요타 '모노즈쿠리' 현장 공개

9월 초, 토요타는 테이호(貞?), 모토마치(元町), 요치(明知) 등 3개 공장을 언론에 공개했다. ‘모노즈쿠리 워크숍’으로 명명된 이번 행사에서는 지난 6월 ‘기술 워크숍’에서 발표한 첨단 기술을 구체화하는 모노즈쿠리를 선보였다.
특히, 테이호 공장은 자동차 제작을 뒷받침하는 설비와 공법, 새로운 모빌리티를 선도하는 모노즈쿠리를 담당하고 있다. 그동안 모터, 배터리, 연료전지 등을 제조하기 위한 설비를 제작해온 이 공장은 설비 설계부터 조립, 양산 도입에 이르기까지 담당하고 있다. 
모토마치 공장은 HEV, BEV, FCEV 등 9개 차종을 하나의 라인에서 생산하는 멀티 패스웨이(Multi Pathway) 양산 공장이다.

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AEM_Automotive Electronics Magazine