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배터리가 바꿔 놓은 전기차의 미래는? – Sciencetimes
현재 전기차에 가장 대중적으로 적용되는 배터리는 리튬 이온 배터리로, 이차전지의 일종입니다. 이차전지는 한번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 일차 …
Source: www.sciencetimes.co.kr
Date Published: 5/6/2022
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전기차 배터리 구성, 셀? 모듈? 팩? 바로 알자! – 삼성SDI
팩? 바로 알자! 2017.09.12. 최근 전기차 시장이 점차 확대되면서 전기차의 동력원인 리튬이온 배터리에 대해서도 관심이 많아지고 있습니다. 그런데 전기차 관련 뉴스 …
Source: www.samsungsdi.co.kr
Date Published: 9/14/2022
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쏟아지는 ‘리튬 배터리’ 쓰레기… 재활용 난제 해결책은 – BBC
전기차용 배터리나 재생에너지 저장에는 리튬 이온 배터리가 사용된다. 전기자동차에 대한 기대가 커지고 재생에너지 활용이 확대대고 있다.
Source: www.bbc.com
Date Published: 12/1/2022
View: 6386
안전하고 오래가는 전기자동차 배터리 – ENERGIUM
리튬이온전지용 산화규소(SiOx) 나노분말 제조 기술 개발 … 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 리튬이온배터리 저장 용량을 무리하게 늘리는 과정에서 화재가 발생 …
Source: energium.kier.re.kr
Date Published: 12/5/2022
View: 3941
자꾸 불이 나는 전기차… 배터리가 원인이라고? – 한국일보
리튬이 이온화한 뒤 떨어져 나온 전자는 내부 도선을 통해 전압을 발생시키고 리튬이온은 전해질을 통해 음극과 양극을 오가는 원리다. 리튬이온이 음극 …
Source: www.hankookilbo.com
Date Published: 6/24/2021
View: 9591
[TECH웨이브] 전기차 배터리 시장 동향과 전망 – 테크월드뉴스
현재 전기차에 대중적으로 사용되는 배터리는 이차전지의 일종인 리튬이온 배터리다. 이차전지는 계속 충전해 사용할 수 있는 배터리로, …
Source: www.epnc.co.kr
Date Published: 11/5/2022
View: 4598
리튬이온 대체할 차세대 배터리는? – 동아사이언스
미국의 전기자동차 및 에너지 기업 테슬라가 호주 남부 애들레이드 근처에 2017년 건설한 혼스데일 전력저장시설이다. 리튬이온배터리를 이용해 …
Source: www.dongascience.com
Date Published: 7/17/2022
View: 783
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주제에 대한 기사 평가 전기 자동차 리튬 이온 배터리
- Author: 카닷TV[자동차정비]
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- Date Published: 2019. 9. 20.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=edWEvXjV7DQ
배터리가 바꿔 놓은 전기차의 미래는? – Sciencetimes
자동차 업계의 패러다임이 빠르게 바뀌고 있습니다. 자동차 판매량이 3년 연속 감소하고 있는 가운데, 전기차의 판매량은 전년 대비 43% 성장한 324만 대의 판매량을 기록해 주목받고 있는데요. 환경 보호에 대한 목소리가 더욱 높아지고 그린뉴딜 정책이 확산되면서 전기차가 내연기관차를 대신할 차세대 이동수단으로 떠오르고 있는 것입니다. 비로소 전기차의 시대가 도래하는 것일까요?
전기차는 미래의 자동차일까?
전기차를 최근 등장하기 시작한 첨단 이동수단으로 인식하기 쉽지만 사실 전기차는 내연기관차보다 오래된 역사를 가지고 있습니다. 운송기기의 아버지라 불리는 K.벤츠와 G.다임러가 처음으로 실용적 가솔린기관을 완성해 특허를 받았던 1855년보다 앞선 1834년, 스코틀랜드의 사업가 로버트 앤더슨은 최초의 전기차를 발명했습니다. 전기차는 내연기관차에 비해 소음과 진동이 적고, 간단한 구조를 지니고 있어 대중들에게 많은 사랑을 받았습니다.
1912년에는 최다 판매량을 기록했고, 에디슨은 포드 자동차와 손을 잡고 전기차 생산 효율화에 앞장서기도 했습니다. 에디슨은 무거운 납산 배터리를 싣고 달리던 전기차에 니켈 철 배터리를 적용하고자 했습니다. 그러나 그의 개발이 성공하기 전에 내연기관차의 대량 생산 체제가 구축되고, 미국에서 원유가 발견되면서 전세가 역전된 것이죠. 가솔린 자동차보다 비싼 데다가, 배터리 중량과 충전 문제까지 갖고 있었던 전기차는 자동차 시장에서 밀려날 수밖에 없었습니다.
배터리 잡아야 전기차 시대 온다
전기차가 내연기관차에 자리를 내주어야 했던 가장 큰 원인은 배터리에 있습니다. 현재도 전기차 상용화를 더디게 만드는 것은 배터리의 안전성과 성능 그리고 충전 관련 인프라 등의 문제입니다. 특히 전기차 보급률과 함께 증가하는 전기차 화재 사고는 자동차가 가장 우선으로 보장해야 할 탑승자의 안전을 위협하면서 전기차의 대중화를 미루고 있습니다.
전기차 발화 원인의 대부분이 전기적 요인, 즉 배터리나 배터리 관련 부품으로 인한 것으로 밝혀졌습니다. 전기차에 사용되는 배터리는 왜 폭발하는 걸까요? 현재 전기차에 가장 대중적으로 적용되는 배터리는 리튬 이온 배터리로, 이차전지의 일종입니다. 이차전지는 한번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 일차전지와 달리, 방전된 후에도 충전하여 재사용이 가능한 배터리를 일컫습니다.
이차전지는 분리막, 양극재, 음극재, 전해질(*물처럼 극성을 띤 용매에 녹아서 이온을 형성함으로써 전기를 통하는 물질)의 4대 핵심 소재로 구성되는데, 리튬 이온 배터리의 전해질은 가연성 액체입니다. 이 액체를 통해 리튬이온이 양극과 음극을 이동하며 전류를 발생시키는데요. 바로 이 액체 전해질에 열이나 충격이 가해지면서 발화의 원인이 되는 것입니다. 작은 홈만 생겨도 분리막이 망가져 외부로 전해질이 새어나와 폭발을 유발하기도 하고요.
액체 전해질을 가진 리튬 이온 배터리를 사용하는 한, 화재의 위험은 존재할 수밖에 없다는 것인데요. 이에, 최근 KBSI는 전기차의 발목을 잡는 고질적 안전 문제를 해결할 수 있는 열쇠를 제시했습니다.
폭발하지 않는 배터리
KBSI 김해진 박사 연구팀은 한국화학연구원, 성균관대, 전남대, 인하대 연구팀과의 공동연구를 통해 자유롭게 구부리거나 잘라도 작동하는 전고체 이차전지를 개발했습니다. 전고체 전지는 액체 전해질을 고체로 대체한 차세대 배터리입니다.
화재의 가장 큰 원인이 되는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 폭발 위험이 0에 가깝고, 분리막도 필요 없는 배터리인 것이죠. 게다가 KBSI가 개발한 배터리는 500번의 충‧방전과 1,000번의 굽힘 테스트를 진행한 후에도 90%의 용량을 유지해, 변형과 공기 중 노출에도 안전하다는 것을 입증했다고 합니다.
특히 리튬이온을 전극 내부까지 원활히 이동시키는 복합 전극 기술을 개발해 전지의 효율을 높였으며, 계면저항을 최소화해 셀을 조립하고 이를 넓은 면적에 적용할 수 있는 적층기술을 확보했다는 점이 눈에 띕니다. 이 기술을 응용해 대용량, 고전압의 전고체 이차전지를 개발한다면, 전기차에 활용되는 중대형 배터리에도 적용할 수 있기 때문입니다.
물론 전고체 이차전지를 전기차에 적용하기 위해서는 더 오랜 연구와 개발이 필요합니다. 하지만 전문가들은 전고체 배터리가 배터리 업계를 주도할 차세대 기술이자 전기차 상용화의 핵심이 될 것으로 전망하고 있습니다. 배터리의 가격, 중량 문제를 극복한 리튬 이온 배터리가 안전성을 확보하지 못해 발이 묶인 상황에서, 배터리의 안전성만 입증이 되면 전기차의 대중화는 시간 문제라고 보는 것입니다. 현재 전세계의 유명 완성차 업체들은 전기차에 사용 가능한 전고체 배터리를 목표로 R&D 역량을 집중 투자하고 있기도 합니다.
그 어느 때보다도 친환경적 개발이 필요한 지금, 매연을 내뿜는 내연기관차를 대체할 수 있는 이동수단의 필요성이 점차 커지고 있습니다. 과거의 전기차는 배터리 문제로 역사의 뒤안길로 사라져야 했지만, 관련 연구가 활성화되어 전기차가 자동차 시장의 선두 주자가 될 수 있기를 기대해봅니다.
* 이 글은 한국기초과학지원연구원(KBSI) 네이버 블로그로부터 제공받았습니다.
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전기차 배터리 구성, 셀? 모듈? 팩? 바로 알자!
최근 전기차 시장이 점차 확대되면서 전기차의 동력원인 리튬이온 배터리에 대해서도 관심이 많아지고 있습니다. 그런데 전기차 관련 뉴스나 보고서를 보다 보면 배터리를 뜻하는 다양한 용어가 있어 때론 헷갈리지 않으신가요? ‘배터리 셀’, ‘배터리 모듈’, ‘배터리 팩’… 평소엔 ‘배터리’라고 통칭하기도 하지만 사실은 조금씩 다른 걸 지칭하는 말인데요.
오늘은 전기차에 탑재되기 위한 전기차 배터리의 ‘셀, 모듈, 팩’의 의미를 정확히 알아보겠습니다. ^^
전기차 배터리 ‘셀 → 모듈 → 팩’으로 구성된다
전기차 가동을 위해서는 스마트폰의 수천 배에 달하는 엄청난 양의 전력이 필요합니다. 때문에 배터리 셀이 수십 개에서 많게는 수천 개까지 필요하죠. 전기차 종류에 따라 구성이 조금씩 차이가 있을 수 있겠지만, 일반적으로 전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성됩니다.
수 많은 배터리 셀을 안전하게 그리고 효율적으로 관리하기 위해 모듈과 팩이라는 형태를 거쳐 전기차에 탑재하는 것입니다. 셀, 모듈, 팩은 쉽게 배터리를 모으는 단위로 생각하면 됩니다. 배터리 셀을 여러 개 묶어서 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어서 팩을 만드는 것이죠. 전기차에는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 들어가게 됩니다.
BMW i3
대표적인 순수 전기차(EV) BMW i3의 배터리를 예로 들어 볼까요? BMW i3에는 배터리 셀이 총 96개 탑재됩니다. 셀 12개를 하나의 모듈로 묶고, 8개의 모듈을 묶어 하나의 팩 형태로 들어가는 것이죠.
하나씩 살펴보면, 먼저 배터리의 기본이 되는 셀은 자동차 내 제한된 공간에서 최대한의 성능을 발현할 수 있도록 단위 부피당 높은 용량을 지녀야 하고, 일반 모바일 기기용 배터리에 비해 훨씬 긴 수명이 필요합니다. 또한, 주행 중에 전달되는 충격을 견디고, 저온/고온에서도 끄덕 없을 만큼 높은 신뢰성과 안정성을 지녀야 하죠.
여러 개의 셀은 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 하나로 묶어 프레임에 넣게 되는데요, 이 상태를 모듈이라고 부릅니다. 그리고 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리해 주는 배터리 관리시스템(BMS, Battery Management System)과 냉각장치 등을 추가한 것이 배터리 팩입니다. 이런 방식으로 전기차에는 배터리 셀 여러 개가 하나의 팩 형태로 들어가는 것이랍니다.
[삼성SDI 전기차용 배터리 셀, 모듈, 팩] [BMW i3 하부에 탑재된 배터리 팩(모듈 8개, 셀 96개로 구성)]전기차 배터리 시장, 이제는 ‘모듈-팩’ 경쟁으로…
많은 소비자들이 전기차 구매를 고려할 때 가장 큰 고려 요인을 ‘주행가능 거리’로 생각하죠. 이를 위해 배터리 기업들은 같은 부피에 더 많은 에너지를 넣을 수 있도록 ‘고 에너지 밀도’ 배터리 셀을 개발하는 데 박차를 가하고 있습니다. 업계에서는 보편적으로 셀 개발 방향이 에너지 밀도를 더욱 높이면서 안전성도 확보하는 쪽으로 가는 양상입니다.
배터리 셀 개발에 대한 방향성이 어느 정도 잡힌 반면, 최근에는 모듈과 팩 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그 동안에는 배터리 셀 성능에 대해 집중했다면, 이제는 모듈과 팩을 얼마나 더 효율적으로 설계하고 구성하느냐 하는 고민을 맞이하고 있는 상황인 것이죠. 전기차에 최종적으로 탑재되는 형태는 팩 형태이기 때문에, 팩의 스펙이 전기차의 전반적인 디자인과 긴밀한 관계를 갖습니다.
전기차에 탑재되는 배터리 팩이 얼마나 슬림하냐에 따라 전기차의 디자인이 더 멋있게 바뀔 수 있는 것이죠. 배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 것은 기본이고, 이제 모듈과 팩 디자인 경쟁이 치열해지고 있는 이유입니다.
삼성SDI, 맞춤형 모듈·팩 솔루션으로 시장 공략 나서
삼성SDI는 올 초 전기차 배터리 모듈 플랫폼인 ‘확장형 모듈’을 공개하며 자동차 제조사들의 이목을 집중시킨 바 있습니다. 앞선 셀 기술을 바탕으로 셀의 효율을 극대화하는 모듈을 선보인 것이죠.
기존 전기차용 배터리 모듈 한 개엔 통상 12개 내외의 셀이 들어가고 용량이 2~3kWh 수준이었습니다. 삼성SDI가 새로 내놓은 ‘확장형 모듈’은 모듈 1개당 24개 이상의 셀을 넣을 수 있도록 첨단 기구설계 공법을 적용했고, 기존 대비 2배가 넘는 6~8kWh의 에너지 용량을 구현했습니다.
[기존 모듈(좌측)과 확장형 모듈(우측)]
사진으로 보시다시피 모듈 하나에 더 많은 셀을 담을 수 있도록 개선하면서, 하나의 팩에 들어가는 모듈 수가 줄어 여러 연결 부품을 줄이고 공간을 아낄 수 있게 된 것이죠.
기존 내연기관 자동차에서도 납축 배터리를 대체하거나 추가 장착하는 방식으로 활용할 수 있는 저전압 배터리 시스템(LVS)도 최근 각광받고 있는데요. 기존 자동차 모델에 비교적 적은 설계 변경으로도 배터리 성능을 크게 업그레이드해 전장기능을 활용할 수 있도록 하는 솔루션입니다. 기존 내연기관차 제조 플랫폼을 최대로 활용해 하이브리드(HEV) 전기차의 장점을 상당부분 구현할 수 있다는 장점이 있죠.
이와 더불어 삼성SDI는 자동차 제조사들의 다양한 니즈에 맞는 맞춤형 팩 솔루션 개발에도 앞장서고 있습니다.
[저전압 배터리 시스템(LVS)팩]또, 전기차 설계에서 배터리가 차지하는 공간을 줄이고 최적화하기 위한 다양한 팩 기술을 개발하고 있습니다. 팩에 모듈 없이 셀을 바로 탑재할 수 있는 형태 등 모듈과 팩의 설계와 디자인에 다양한 아이디어와 첨단 기술을 적용해 새로운 솔루션을 개발해 나가고 있죠. 조만간 도래할 전기차 대중화 시대를 맞아 자동차 회사들이 다양한 디자인의 전기차를 만들 수 있도록 팩의 형태도 다양해질 수 밖에 없을 것입니다. 이런 미래를 미리 준비해 나가기 위해 셀, 모듈, 팩을 다양한 형태로 배치시키는 이른바 ‘배터리 디자인’ 시대를 열어가겠다는 복안입니다.
이렇게 셀 기술을 넘어 모듈·팩 기술 개발에도 힘을 쏟고 있는 만큼 시간이 갈수록 점점 더 멋진 전기차가 나오지 않을까요? ^^
멀리 가는 전기차의 성능뿐만 아니라, 더 날씬하고 멋있는 디자인의 전기차를 만드는데 배터리가 어떤 활약을 펼칠지 앞으로 지켜봐 주세요!
자꾸 불이 나는 전기차… 배터리가 원인이라고?
현대자동차에서 만든 코나 일렉트릭 전기차에는 최근 ‘불나(불이 나는 코나)’라는 달갑지 않은 별명이 붙었다. 2018년부터 14대의 차량에서 발생한 원인 모를 화재 때문이다. 국토교통부가 지난달 ‘제조공정상 품질 불량으로 인한 배터리 셀 분리막 손상’을 화재 원인으로 추정하는 1차 조사 결과를 내놨지만, 논란은 가라앉지 않고 있다. 코나에 배터리를 공급하는 LG화학은 분리막 손상을 100% 화재 원인으로 단정할 수 없다고 강력하게 반발했다. LG화학에 따르면 분리막을 다양한 형태로 훼손한 뒤 충·방전을 수백번 반복하는 재연 실험을 현대차와 공동으로 실시했는데, 배터리 성능 저하는 있었지만 화재로 이어지지는 않았다고 한다.
이에 국토부는 다시 특별 조사팀을 꾸렸다. 국토부 산하 자동차안전연구원과 LG화학, 현대차가 공동으로 참여하는 화재 재연 실험도 진행 중이다. 2년 반에 걸쳐 10대 넘는 차량에 불이 났는데 원인은 오리무중이니 소비자들은 불안하기 짝이 없다. 전기차에 들어가는 배터리가 어떤 원리로 작동하길래 이런 일이 생길까. 또 배터리는 전기차에 어떻게 탑재되고, 어떤 안전 장치가 작동할까.
리튬은 전자를 싫어해
전기차 배터리에 주로 사용되는 2차 전지는 리튬이온 배터리다. 리튬이 전기차 배터리 소재로 선택된 건 이온화 경향이 가장 높은 금속이기 때문이다. 이온화 경향은 금속이 전자(-)를 내주고 양이온(+)이 되려고 하는 정도를 말한다. 이온화 경향이 큰 금속일수록 공기 중 산소와 결합해 쉽게 산화한다. 리튬과 반대로 이온화 경향이 가장 낮은 금속이 금이다. 금은 쉽게 산화되지 않는 덕에 오랜 시간이 흘러도 제 모습이 변하지 않아 귀한 대접을 받는 것이다.
순수 리튬은 물, 공기와도 반응할 정도로 폭발 위험이 높아 배터리로 쓰기엔 위험하다. 반면 산화 금속 상태의 리튬은 상당히 안정적이라는 특징이 있다. 이런 점을 활용해 2차 전지 내에서 금속 리튬 대신 리튬을 이온 형태로 만들고 다른 금속에 섞어 이용하는 방법이 고안됐다.
리튬이온 배터리는 음극, 양극, 전해액, 분리막으로 구성된다. 리튬이 이온화한 뒤 떨어져 나온 전자는 내부 도선을 통해 전압을 발생시키고 리튬이온은 전해질을 통해 음극과 양극을 오가는 원리다. 리튬이온이 음극으로 가는 과정이 충전, 양극으로 돌아오는 과정이 방전이다. 분리막은 양극과 음극이 접촉해 단락(합선)으로 화재가 발생할 수 있는 걸 막는다. 분리막에는 리튬이온만 오갈 수 있는 미세한 구멍이 뚫려 있다.
전기차 배터리 셀-모듈-팩 단계
전기차가 움직이기 위해서는 스마트폰의 수천배에 달하는 엄청난 전력이 필요하다. 따라서 전기차에는 수백에서 수천개의 배터리가 들어가는데, 이때 셀-모듈-팩이라는 조립 단계를 거친다.
셀은 배터리의 기본 단위로 양극과 음극, 분리막, 전해액을 알루미늄 케이스에 넣어 만든다. 이 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수만큼 묶어 틀에 넣은 조립체가 모듈이다. 배터리 모듈에 배터리관리시스템(BMS)을 비롯한 냉각 시스템과 각종 제어 장치 등을 장착해 만든 최종 단계가 팩이다. BMS는 수많은 배터리 셀의 온도, 충전 상태, 전압 등을 감시·관리하는 역할을 한다. 사람으로 치면 뇌에 해당한다고 보면 된다.
BMW 전기차 i3에는 배터리 셀이 96개 들어간다. 12개의 셀을 하나의 모듈로 묶고, 다시 8개의 모듈을 모은 팩이 탑재돼 있다. 현대차 코나는 조금 다른 용어를 쓰는데, 모듈을 ‘배터리 팩 어셈블리(BPA)’, 팩을 ‘배터리 시스템 어셈블리(BSA)’라고 부른다. 코나에는 57~60개의 셀이 들어간 BPA(모듈) 5개를 묶은 하나의 BSA(팩)가 탑재된다. 코나 한 대에 285~300개의 배터리 셀이 들어가는 것이다.
코나의 배터리 셀은 LG화학, BPA는 HL그린파워가 각각 만든다. HL그린파워는 모비스와 LG화학이 51 대 49의 지분 비율로 만든 합작사다. 또한 BMS는 현대차의 전장부품 자회사인 현대케피코에서 제조하고, 최종적으로 이 모든 걸 합친 BSA는 모비스가 만든다. 코나 화재 원인을 놓고 현대차를 비롯해 모비스, LG화학, 현대케피코 등 여러 회사가 복잡하게 얽혀 있는 것이다.
삼중·사중 안전 장치
전기차에는 큰 사고가 나거나 과열, 과충전 등 외부 충격을 받아 배터리 내부에서 화재가 발생하는 걸 막기 위해 각종 안전 장치들이 장착돼 있다. 먼저 가스배출 장치(VENT)다. 배터리 위 작은 구멍이 평상시에는 닫혀 있다가 이상 상황이 되면 열린다. 교통사고가 나 배터리에 충격이 가해지고 단락이 발생하면 내부에서 열이 나면서 생기는 가스를 설계된 방향에 따라 구멍으로 배출하는 것이다.
과충전 방지장치(OSD)는 배터리에 문제가 생기면 배터리 내·외부의 회로를 격리시키는 역할을 한다. 건물에서 흔히 볼 수 있는 방화벽과 같다. 단락 차단 장치(FUSE)는 집에서 흔히 볼 수 있는 두꺼비집이라 생각하면 쉽다. 특정 전류가 흐르면 회로를 끊는 기능을 수행한다.
이 밖에 삼성SDI는 배터리 셀에서 화재가 발생할 경우 다른 셀로 번지는 걸 막기 위한 신개념 열 확산 차단재를 부착하고 있다. LG화학은 분리막 표면을 세라믹 소재로 얇게 코팅해 안전성과 성능을 대폭 향상한 안전성 강화 분리막(SRS) 특허 기술을 보유하고 있다.
이 같은 삼중, 사중의 안전 장치에도 불구하고 액체 전해질을 쓰는 리튬이온 배터리는 온도 변화로 인한 배터리 팽창, 외부 충격에 의한 누액 등의 위험이 여전히 상존한다는 한계를 안고 있다.
이런 단점을 원천적으로 보완하기 위해 배터리 업계는 ‘전고체 배터리’ 개발에 힘을 쏟는 중이다. 전고체 배터리는 말 그대로 전해질이 액체가 아닌 고체다. 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신한다. 폭발이나 화재 위험성이 크게 줄어들기 때문에 안전성과 관련한 부품을 줄이고 그 자리에 배터리 용량을 늘리는 물질을 채울 수 있다. 안전성을 확보하고 배터리 밀도까지 높일 수 있어 ‘꿈의 배터리’, ‘차세대 배터리’로 불린다. 그러나 아직 개발 초기 단계라 상용화까지는 적지 않은 시간이 필요할 전망이다.
윤태석 기자 [email protected]
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[TECH웨이브] 전기차 배터리 시장 동향과 전망
[테크월드뉴스=이재민 기자] 전기차(EV)의 전성시대가 도래하고 있다. ‘전기차=친환경차’라는 공식이 성립되면서 전기차의 인기는 고공행진을 이어갈 것으로 보인다. 시장조사업체 블룸버그NEF는 “2020년에 판매된 승용차 중 4%만이 전기차였으나, 2030년에는 그 비중이 34%로 높아질 것”이라고 밝혔다. 이와 함께 전기차 판매량은 2025년 1070만 대, 2030년 2820만 대로 늘어날 것이며 2036년에는 신차 판매 점유율에서 전기차가 내연기관차(휘발유차, 경유차 등)를 앞설 것으로 전망했다.전기차 시장 전망이 밝을 것으로 예상되는 가운데, 전기차의 ‘심장’ 배터리를 둘러싼 관심이 뜨겁다. 지금 전 세계가 전기차 배터리 전쟁 중이라고 해도 과언이 아니다.
전기차는 배터리와 함께 달린다. 일반적으로 전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성된다. 셀은 배터리의 가장 작은 단위로, 전기차의 전반적인 성능에 중심적 역할을 한다. 모듈은 배터리 셀을 외부 충격으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 것이다. 이 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS)과 냉각장치 등을 추가한 것이 팩이다. 최종적으로 배터리는 전기차에 하나의 팩으로 들어가게 된다.
현재 전기차에 대중적으로 사용되는 배터리는 이차전지의 일종인 리튬이온 배터리다. 이차전지는 계속 충전해 사용할 수 있는 배터리로, 방전되면 재사용이 불가능한 일차전지와 다르다. 리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 양극, 음극, 전해액, 분리막이다. 양극과 음극이 배터리의 기본 성능을, 전해액과 분리막은 배터리의 안정성을 결정한다고 할 수 있다.
리튬이온 배터리의 장점은 기존 이차전지의 단점이었던 메모리 현상이 없다는 것이다. 메모리 현상이란 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전 시 배터리 수명이 줄어들게 되는 현상이다. 그러나 리튬이온 배터리는 온도에 민감해 폭발이나 화재 위험성이 크다는 치명적인 단점이 있다. 화재로 인해 리콜을 실시하고 있는 ‘GM 쉐보레 볼트EV’, ‘현대자동차 코나EV’에 리튬이온 배터리가 탑재된 것으로 알려져 화재 위험성에 대한 우려는 가라앉지 않고 있다.
리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받는 건 전고체 배터리다. 전해질이 고체 상태인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있어 폭발이나 화재 위험에서 자유롭다. 또한 1회 충전으로 최대 800km 이상을 주행할 수 있고, 배터리를 80%까지 충전하는 데 약 5분밖에 걸리지 않는다.
한국 vs 중국 배터리 전쟁에 끼어드는 일본
시장조사업체인 SNE리서치에 따르면, ‘글로벌 전기차 배터리 사용량 순위’에서 상위권 경쟁 구도는 한국(2위 LG에너지솔루션, 5위 SK이노베이션, 6위 삼성SDI) 대 중국(1위 CATL, 4위 BYD)으로 형성됐다. 상위권에서 일본 업체는 파나소닉(3위)뿐이라서 일본이 배터리 분야에서 뒤처진다는 평가를 받고 있다.
▲ 토요타가 9월 7일 공개한 전고차 배터리 전기차(출처: 토요타자동차 공식 유튜브 채널)
하지만 방심은 금물이다. 일본 토요타자동차가 완벽한 ‘한 방’을 준비하고 있기 때문이다. 토요타는 2000년대 초반부터 전고체 배터리를 연구해 왔으며, 보유한 관련 특허는 약 1000개로 전 세계 전고체 배터리 특허의 40% 규모다. 기업별로 살펴봐도 토요타가 전고체 배터리 특허 출원 건수가 가장 많다.
오랜 연구개발 끝에 토요타는 지난 9월 공식 유튜브 채널을 통해 세계 최초 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 공개했다. 이와 함께 2025년까지 전기차 15개 차종을 발표하며, 전고체 배터리를 포함한 전기차 배터리 개발에 16조 원을 투자하겠다고 밝혔다. 파나소닉과 배터리 합작사인 프라임 플래닛 에너지&솔루션(PPES)을 통해서는 2022년까지 배터리 생산 비용을 절반으로 줄일 계획이다. 배터리 제조 원가는 팩 기준으로 Wh(와트시)당 100달러 정도다. 이를 50달러 수준까지 낮춰 ‘반값 배터리’를 생산하겠다는 것이다.
PPES의 배터리 시장 점유율은 아직 5%에도 미치지 못한다. 그러나 토요타가 오랫동안 축적한 기술력으로 전고체 배터리와 반값 배터리가 본격화된다면, 배터리 시장에서 PPES 점유율이 급상승할 것이라는 분석이 나온다.
K-배터리 3사 “전고체·하이니켈 배터리 둘 다 놓치지 않을 것”
중국 업체들을 상대하기 바쁜 국내 배터리 3사에 토요타의 소식은 반가울 리 없다. 배터리 3사는 전고체 배터리를 비롯한 차세대 배터리 개발과 함께, 늘어나는 배터리 수요에 당장 대응하기 위해 기존 리튬이온 배터리 성능을 끌어올리는 데 집중하고 있다.
LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고대학교(UCSD)와 공동 연구를 통해 상온(통상 25℃)에서도 급속 충전이 가능한 전고체 배터리 기술을 개발했다. 이는 60℃ 이상에서만 충전이 가능했던 기존 전고체 배터리의 기술적 한계를 넘은 것이다. 또한 500번 이상의 충·방전 이후에도 80% 이상 잔존 용량을 유지하고, 에너지 밀도를 리튬이온 배터리에 비해 약 40% 높일 수 있다.
LG에너지솔루션은 전기차뿐만 아니라 항공기, 드론, UAM(도심 항공 모빌리티) 등 항공우주 분야도 공략하고 있다. 이 분야에 공급하기 위해 황탄소 복합체, 리튬 메탈 등 경량 재료를 사용해 가벼운 리튬황 배터리를 개발했다. 리튬황 배터리는 저렴한 황을 양극재로 활용한 배터리로, 에너지 밀도가 리튬이온 배터리보다 1.5배 이상 높다. LG에너지솔루션이 개발한 4.5Ah(암페어시), 18.7g의 리튬황 배터리는 최근 국내 태양광 무인기에 탑재돼 상용화 가능성을 입증했다.
SK이노베이션의 배터리 법인으로 공식 출범된 SK온은 전고체 배터리 연구개발 인력 충원에 적극 나서고 있다. 또한 리튬이온 배터리 시대를 연 인물이자 2019년 노벨화학상 수상자인 존 굿이너프 미국 텍사스대 교수와 리튬메탈 배터리를 연구하고 있다. 리튬메탈 배터리는 음극재에 금속을 사용하며, 리튬이온 배터리의 에너지 밀도 한계치인 800Wh/L을 1000Wh/L까지 끌어올릴 수 있다.
삼성SDI는 국내 배터리 3사 중 전고체 배터리 개발에서 가장 앞서 있다. 전고체 배터리 양산 시점 목표도 2027년으로 가장 빠르다. 삼성SDI는 삼성전자 종합기술원, 일본 연구소 등과 전고체 배터리 기술을 공동 개발하고 있다. 삼성전자 종합기술원은 지난해 3월 1회 충전으로 800㎞ 이상 주행할 수 있고, 1000회 이상 충·방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개했다. 연구결과에는 전고체 배터리 기술 난제로 꼽히는 덴드라이트(수지상결정) 현상을 해결한 ‘석출형 리튬음극 기술’도 포함됐다. 덴드라이트는 배터리 충전 시 리튬이 음극 표면에 쌓이며 분리막을 훼손하는 현상이다.
배터리 3사는 공통적으로 하이니켈 배터리 양산 시점을 앞당기고 있다. 기존 배터리보다 니켈 함량을 늘린 하이니켈 배터리는 에너지 밀도가 높아져 전기차 1회 충전 시 주행거리가 증가한다. 3사의 하이니켈 배터리는 니켈 함량을 60~70%에서 80~90%까지 크게 높였다.
LG에너지솔루션은 니켈 함량 85%의 ‘NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 배터리’ 양산을 연내에 시작한다. SK온 역시 니켈 함량을 90%까지 높인 ‘NCM9 배터리’를 올해 안에 양산할 예정이다. 삼성SDI는 지난 9월부터 니켈 함량 88%의 ‘젠(Gen)5 배터리’를 양산하기 시작했다.
하이니켈 배터리도 리튬이온 배터리처럼 안전성 문제에서 자유롭지 않다. 하지만 배터리 3사는 이를 각자의 기술력으로 보완했다. LG에너지솔루션은 알루미늄을 추가해 안전성을 높였고, SK온은 배터리 내부 분리막을 쌓을 때 양극과 음극을 지그재그 형태로 감싸 두 극을 분리했다. 삼성SDI는 알루미늄 소재와 특수코팅 기술을 더해 배터리 열화를 최소화했다.
‘저가 배터리’로 밀고 나가는 중국
CATL과 BYD는 중국 배터리 업체의 양대 산맥이다. 이들은 리튬인산철(LFP) 배터리를 내세우며 성장하고 있다. LFP 배터리는 리튬이온 배터리의 한 종류로, 양극재에 인산과 철을 사용한다. 가격이 급상승한 니켈과 코발트를 쓰지 않아 저렴하며, 안정성도 높다. 다만 무겁고 에너지밀도가 낮아 주행거리가 짧다는 단점이 있으나, 저렴한 가격 때문에 완성차 업체에서 사용 확대 움직임을 보이고 있다.
테슬라는 앞으로 스탠다드 레인지 전기차에 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 대신 LFP 배터리를 탑재할 계획이다. 지난 2분기 실적발표에서는 자사 전기차 배터리의 3분의 2 정도를 LFP 배터리로 사용하겠다고 밝혔다. 테슬라는 CATL로부터 LFP 배터리를 공급받고 있어 CATL 시장 점유율은 더 상승할 것으로 보인다. CATL은 최근 미국 전기차 업체인 ELMS(Electric Last Mile Solutions)와도 LFP 배터리 공급 계약을 체결했다.
BYD는 CTP 기술을 사용한 LFP 배터리 ‘블레이드 배터리’를 양산하고 있다. CTP란 배터리 팩에서 모듈을 생략하는 기술로, 에너지 밀도를 최대 20%까지 향상시킬 수 있다. BYD는 블레이드 배터리 적용을 자사 전기차 전체로 확대했고, 테슬라와 공급을 논의 중인 것으로 알려졌다.
폭스바겐과 포드 역시 주행거리가 짧은 엔트리급 모델에 LFP 배터리를 사용하겠다고 밝혔다. 이처럼 저가·보급형 전기차 시장 확대와 맞물리면서 LFP 배터리 수요는 크게 늘어날 전망이다. 이에 따라 LG에너지솔루션과 SK온도 다양한 제품군을 보유하기 위해 LFP 배터리 개발에 뛰어들었다.
메모리 반도체보다 더 커질 배터리 시장
미래에셋증권의 보고서에 따르면, 글로벌 전기차 배터리 시장 규모는 2020년 330억 달러를 상회하며 전년 대비 약 57% 증가했다. 2023년에는 804억 달러 규모에 이를 전망이다. 시장조사업체 IHS마킷은 “2025년에는 전기차 배터리가 메모리 반도체보다 더 큰 시장으로 성장할 것”이라고 밝혔다. 전기차 전환이 가속화되면서 배터리 수요는 2030년 2333GWh(기가와트시) 이상으로 증가할 것으로 예상된다.
현재 글로벌 전기차 배터리 시장은 한·중·일 3국이 주도하고 있으나, 미국과 유럽 업체가 진입 기회를 노리고 있는 상황이다. 글로벌 완성차 업체들이 배터리를 자체 생산하겠다는 뜻을 보이고 있어 경쟁 구도는 더 심화될 예정이다.
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