전기차의 배터리 기술

요즘 자동차 업계에서는 차세대 친환경 동력원인 전기자동차 개발 경쟁이 치열합니다.

과거 가솔린 엔진 기반의 내연기관 차량들은 효율성 측면에서 한계점을 드러내면서 환경오염 문제 해결이라는 과제를 떠안게 되었습니다.

이를 극복하기 위한 대안으로 떠오른 것이 바로 전기자동차 입니다.

현재 글로벌 완성차 업체들은 앞다퉈 전기차 모델 출시 계획을 발표하며 미래 모빌리티 시대 주도권 확보에 나서고 있습니다.

그렇다면 이러한 전기차는 어떻게 구동되는 것일까? 일반인들에게는 다소 생소한 전기차 작동 원리 및 주요 부품중 배터리의 특징에 대해 살펴겠습니다.

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전기차의 배터리 기술

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목차
1. 전기차용 배터리 종류
1-1. 니켈수소전지
1-2. 리튬이온전지
1-3. 전고체전지

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전기차는 친환경 자동차라는 이미지 덕분에 많은 사람들이 관심을 가지고 있고, 실제로 많이 판매되고 있습니다. 

하지만 아직까지는 충전소 인프라 부족과 비싼 차량가격 등 여러가지 문제로 인해 대중화되지 못하고 있습니다. 

이 중에서도 특히 배터리는 전기차 보급 확대의 최대 걸림돌입니다. 

현재 대부분의 전기차 모델은 1회 충전 시 주행거리가 200km 미만이며, 400km 이상인 경우 테슬라 모델S나 중국산 BYD e6 같은 고가의 프리미엄급 차종뿐입니다. 

또한 급속충전 방식 역시 표준화가 되지 않아 국내에서는 현대자동차 코나EV만이 유일하게 고속도로 휴게소에서 무료로 이용할 수 있습니다. 

최근 미국 에너지부(DOE) 산하 국립재생에너지연구소(NREL)는 ‘배터리 2030’ 보고서를 통해 “2025년이면 리튬이온 배터리 시장 규모가 지금의 2배 수준인 1600억달러(약 185조원)에 이를 것”이라며 “리튬이온 배터리 성능 향상 및 원가 절감 노력이 계속된다면 향후 10년간 연평균 17% 성장률을 기록할 것”이라고 전망했습니다.

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현재 전기차용 배터리 종류는 어떤것이 있나요?

일반적으로 쓰이는 니켈수소전지 (니켈-카드뮴 전지) 와 리튬이온전지 그리고 차세대 배터리로 불리는 전고체전지가 있습니다. 각 장단점이 있지만 주로 쓰는건 리튬이온전지입니다.

니켈수소전지

니켈수소전지는 현재 많이 사용되고 있는 리튬이온배터리 이전에 개발되었던 배터리입니다.

이 배터리는 에너지 밀도가 높고 무게가 가볍다는 장점이 있지만 니켈수소전지는 리튬이온전지와는 다르게 양극과 음극 사이에 전해질 대신 액체 상태의 전해액을 사용하기 때문에 전지 내부에서의 반응성이 높아 폭발 위험성 또한 높은 편입니다.

따라서 안전상의 문제로 현재 국내에서는 생산 및 판매가 금지되어있습니다. 

하지만 최근 중국산 저가형 배터리팩들이 저렴한 가격만을 앞세워 시장에 유통되고 있으며, 이 중 일부는 KC인증조차 받지 않은 채 불법유통 되고 있다고 합니다. 

이러한 배터리는 과충전 또는 과방전 등 비정상적인 충전/방전 과정에서 화재나 폭발사고 발생 우려가 매우 높습니다.

하지만 아직까지도 많은 전자제품들이 니켈수소전지를 사용하고 있고, 앞으로도 계속해서 사용될 예정입니다.

니켈수소전지는 어떤 원리로 작동하나요?

니켈수소전지는 양극(+) 물질인 니켈산화물과 음극(-) 물질인 수소화리튬금속수화물로 이루어져 있습니다. 두 물질의 화학 반응을 통해 전기에너지를 발생시키고 이를 이용해 모터를 구동시키는 방식으로 작동합니다.

니켈수소전지는 왜 그렇게 빨리 망가지나요?

니켈수소전지는 앞서 언급했듯이 충방전 속도가 느립니다. 따라서 완전히 방전시키지 않은 상태에서 다시 충전하면 전지 내부에 저장되어 있던 전력량 중 일부가 소실되는 현상이 발생하는데 이것을 ‘메모리 효과’라고 부릅니다. 이러한 특성 때문에 니켈수소전지는 완전 방전 후 재충전해야 하며, 그렇지 않을 경우 수명이 크게 단축됩니다. 또한 과충전 시 폭발 위험성도 존재하기 때문에 주의해야 합니다.

그럼 니켈수소전지 대신 다른 종류의 2차 전지를 사용하면 안되나요?

앞서 말씀드린 바와 같이 니켈수소전지는 성능 대비 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다. 그렇기 때문에 여전히 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 특히 노트북 등 소형 IT 기기에서는 주로 니켈수소전지를 사용합니다. 다만 스마트폰처럼 고용량·고성능화가 요구되는 기기에 적용하기에는 한계가 있으므로 차세대 2차 전지 기술 연구 및 개발이 지속적으로 이루어지고 있습니다.

 

 

 

리튬이온전지

스마트폰과 노트북 등 다양한 전자제품에 쓰이는 전지인 리튬이온전지는 우리에게 익숙한 배터리입니다. 

하지만 최근 전기차 시장이 성장하면서 차세대 배터리로 주목받고 있는 '니켈-코발트-망간(NCM)' 배터리는 아직 낯설죠. 

이 중 니켈은 양극재 재료비의 약 40%를 차지하는 핵심 소재지만, 안정성이 낮아 고용량 구현이 어려웠습니다. 

이를 해결하기 위해 등장한 게 바로 니켈 함량을 높인 '하이니켈 배터리'입니다. 

하이니켈 배터리는 기존 NCM 배터리 대비 에너지 밀도가 높아 같은 부피에 더 많은 용량을 담을 수 있고, 코발트 비중을 줄여 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있습니다. 

또한 LG에너지솔루션·삼성SDI·SK이노베이션 등 국내 배터리 3사는 물론 중국 CATL등 글로벌 배터리 업체들이 앞다퉈 하이니켈 배터리 개발에 나서고 있죠.

왜 하필 니켈인가요?

배터리 업계에서는 니켈 함유량이 높은 배터리일수록 주행거리가 늘어난다고 설명합니다. 현재 상용화된 대부분의 차량용 배터리는 주로 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20% 비율로 구성돼있죠. 반면 테슬라 모델S나 폭스바겐 ID.4 등 최신 전기차에 탑재되는 원통형 배터리엔 니켈 88%, 코발트 10%, 망간 2%가 들어있습니다. 특히 테슬라는 자사 홈페이지를 통해 “모델S 100D 롱레인지 트림에선 1회 충전 시 최대 546km를 달릴 수 있다”고 강조했습니다. 전문가들은 통상 니켈 80% 이상이면 고함량이라 부릅니다. 실제 삼성SDI 역시 지난해 9월 ‘인터배터리 2019’ 전시회에서 니켈 함량 90% 이상의 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리를 공개하기도 했습니다.

왜 굳이 비싼 코발트를 줄이나요?

전기차 수요가 늘면서 덩달아 몸값이 오른 코발트는 매장량이 한정되어있는 희소금속입니다. 세계 각국 정부가 나서서 코발트 확보에 열을 올리는 이유이기도 하죠. 게다가 코발트는 채굴 과정에서 아동 노동 착취 문제가 불거지기도 합니다. 국제노동기구(ILO)에 따르면 콩고민주공화국에서만 매년 6만명의 어린이가 코발트 광산에서 강제 노역에 시달리고 있다고 합니다. 미국 지질조사국(USGS)에 따르면 2017년 기준 전 세계 코발트 생산량 가운데 절반가량이 콩고에서 생산됩니다. 결국 원가 절감 차원에서 코발트 사용량을 줄이는 대신 니켈 함량을 높여 효율성을 높이는 셈이죠.

 

배터리 팩이란 무엇인가요?

배터리 팩은 여러 개의 배터리 셀을 직렬 연결하거나 병렬 연결하여 만든 장치로서, 스마트폰 보조배터리처럼 휴대용 기기뿐만 아니라 전기자동차, 전동공구, 드론 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

리튬이온배터리는 어떤 특징이 있나요?

리튬이온배터리는 에너지 밀도가 높고 무게 대비 용량이 크며, 온도 변화에 따른 성능 저하가 적은 장점이 있습니다. 그러나 외부 충격에 의한 파손 시 발화·폭발 위험이 있고, 메모리 효과(사용하지 않고 방치하면 자연 방전되는 현상)가 나타나는 단점이 있습니다.

 

전고체전지

전고체 전지는 전기를 저장하는 방식 중 하나로, 기존의 리튬이온 전지와는 달리 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용합니다. 고체 전해질은 액체 전해질과는 달리 불안정한 성질을 가지지 않아서 더욱 안정적으로 전기를 저장할 수 있어요. 

이러한 전고체 전지는 리튬이온 전지보다 용량이 2배 이상 높고, 충전 시간도 10분 이내로 짧다는 장점이 있어서 현재 가장 주목받는 전지 중 하나입니다.

기존 리튬이온전지 대비 화재 위험성이 현저히 낮고 안정성 측면에서 뛰어난 장점을 지니고 있으며, 부피당 에너지 밀도가 높아 고용량 구현이 가능합니다.

이러한 특징으로 높은 출력을 요구하는 드론·전기차·자율주행차 등에 활용될 것으로 기대됩니다.

그러나 제조 공정이 복잡하고 양산 단계에서의 안전성 확보가 어려워 상용화되기까지는 시간이 걸릴 것으로 보입니다.

 

전고체 전지의 장점은 무엇인가요?

전고체 전지의 가장 큰 장점은 용량과 충전 속도입니다. 리튬이온 전지와 비교했을 때 용량이 2배 이상 높아서, 충전한 전기로 더 오래 사용할 수 있어요. 또한 충전 시간도 10분 이내로 짧아서 급하게 충전해야할 때도 유용합니다. 또한 전고체 전지는 리튬이온 전지와 달리 불안정한 성질을 가지지 않아서 안정적으로 전기를 저장할 수 있어요. 그리고 전고체 전지는 안전성이 높아서 화재나 폭발 등의 위험이 적다는 장점도 있습니다.

 

전고체 전지는 어디에 사용되나요?

전고체 전지는 현재 스마트폰, 노트북, 전동차 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 특히 전동차 분야에서는 전고체 전지의 용량과 충전 속도가 높아서, 전기차의 주행거리와 충전 시간을 크게 개선할 수 있습니다. 또한 전고체 전지는 안전성이 높아서 화재나 폭발 등의 위험이 적다는 장점이 있어서, 미래에는 전기차뿐만 아니라 다양한 분야에서 사용될 것으로 예상됩니다.

전고체 전지는 리튬이온 전지와 달리 안정적으로 전기를 저장할 수 있고, 용량과 충전 속도가 높아서 다양한 분야에서 사용될 것으로 예상됩니다. 미래에는 전기차뿐만 아니라 스마트폰, 노트북 등 다양한 분야에서 전고체 전지가 사용될 것으로 예상되니, 앞으로 더 많은 발전이 있을 것으로 기대해봅니다!

 

우리나라 기업중에선 어디가 유명한가요?

LG화학 삼성SDI SK이노베이션등 우리나라 대기업뿐만 아니라 일본 파나소닉 도요타 닛산 혼다 등등 다양한 회사들이 참여하고있습니다.

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앞으로 다가올 미래엔 내연기관차량보다는 전기차가 대세가 될텐데요, 앞으로 더욱 발전해서 환경오염없는 세상이 왔으면 좋겠습니다.