전기자동차의 보급이 빨라지고 있습니다. 2021년에는 20종이 넘는 전기자동차가 출시예정이라고 하네요. 특히 현대자동차에서 전기자동차 전용 플랫폼을 이용한 NE EV를 출시 예정이라 엄청 기대가 됩니다.
오늘은 이런 전기자동차에 사용하는 배터리의 종류에 대해 알아보겠습니다. 모두 리튬이온 배터리를 사용하며, 양극재의 종류에 따라서 구분합니다.
1. 리튬인산철 배터리(LFP) : LiFePO4
리튬인산철 배터리는 양극재에 철이 들어갑니다. 그만큼 무게가 무겁기 때문에 단위중량당 에너지밀도(Wh/kg)가 낮아서 전기자동차에 사용할 경우 주행거리가 짧다는 단점을 가지고 있습니다. 또한 철의 전자이동도가 낮기 때문에 리튬이온의 확산 속도가 느리며 동작 전압이 3.2V로 다른 전지에 비해 낮습니다. 하지만 올리빈 구조의 육면체 형태로 되어 있어 안전성이 매우 높고 코발트를 사용하지 않아 원재료 수급이 쉽고 가격이 싸다는 장점이 있습니다.
중국에서는 LFP 배터리 위주로 기술이 발전하고 있습니다. 바로 중국의 CATL이 LFP 배터리가 주력인데요, 중국 정부 보조금도 받고 있습니다. CATL은 LFP 배터리 자체의 에너지밀도를 기존의 100Wh/kg에서 이미 200Wh/kg 수준까지 도달했다고 합니다. 또한 에너지 밀도가 낮은 단점을 CTP(Cell to Pack)기술을 이용해 극복할려는 움직임이 보입니다.
CTP는 셀에서 바로 팩으로 패키징하는 기술이며 기존의 셀->모듈->팩을 거쳐서 하는 과정에서 모듈 패키징을 생략한 것입니다. 모듈은 단셀 여러개를 모아서 만든 구조로 진동, 충격 등 외부로부터 셀을 보호해주는 역할을 하는데 이를 없앤것이죠. 이렇게 되면 팩의 에너지 밀도도 증가시킬 수 있습니다. 실제로 중국에서 판매하는 모델3에는 CATL의 LFP 배터리가 장착되어 있습니다. LFP를 사용하는데도 주행거리가 468km로 상당히 높습니다. 중국의 LFP점유율은 2018년 기준 무려 95%나 됩니다.
2. 삼원계 배터리(NCM : Li[Ni,Co,Mn]O2, NCA : Li[Ni,Co,Al]O2)
전기자동차 배터리로 가장 많이 사용하는 배터리가 바로 삼원계 배터리입니다. 양극재에 3가지 물질을 혼합 사용해서 삼원계라고 불리며 니켈, 코발트, 망간을 사용한 NCM과 니켈, 코발트, 알루미늄을 사용한 NCA가 있습니다.
NCM 배터리에도 NCM622, NCM811, NCM9½½(구반반) 가 있는데, 이는 니켈, 코발트, 망간 함량을 나타낸 것입니다. 니켈의 비중이 높으면 에너지, 출력이 높아지며 코발트와 망간 함량이 높아지면 배터리의 안전성이 높아집니다. 그래서 각 배터리 제조사들은 안전성을 확보하면서도 니켈의 함량을 높이는 방법에 대해 연구하고 있습니다.
기존에는 NCM622을 사용하다가 최근에는 NCM811도 많이 사용하고 있습니다. (SK이노베이션의 셀이 들어간 니로EV) SK이노베이션은 NCM9½½ 배터리를 2023년 양산 예정인 포드 전기 픽업트럭 F-150에 탑재한다고 밝혔습니다.
NCA 배터리는 양극재에 알루미늄을 사용했는데, 이를 사용하면 출력을 높일 수 있습니다. 하지만 NCA 배터리는 원료 합성 및 수분제어 난이도가 높아 생산기술이 어렵다는 단점을 가지고 있습니다. 또한 망간함량이 낮아지기 때문에 안전성도 낮고 수명이 짧다는 단점도 있습니다. 최근에는 이를 극복해 삼성SDI, LG에너지솔루션을 중심으로 생산하고 있습니다.
현재 NCM의 점유율이 가장 높고 그다음 NCA, LFP순입니다. 하지만 코발트 가격이 너무 비싸고 계속해서 원자재 값이 오르는 추세입니다. 이런 이유로 앞으로는 말씀드린 CTP나 에너지밀도 극복등 신기술로 인해 LFP의 점유율이 높아질 거라 예상됩니다.
종합적으로 각 배터리 종류의 특성을 그래프로 나타내보면 아래와 같습니다. LTO는 전기자동차에서 거의 사용하지 않으니 무시하셔도 무방합니다.
3. 전고체 배터리 (All Solid Battery)
전고체 배터리는 아직까지 양산하지 못하였으며, 도요타(TOYOTA) 자동차를 중심으로 개발중에 있습니다. 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해액으로 이루어져 있는데, 이 중 전해액 대신 고체의 전해질을 사용하는 배터리를 전고체 배터리라고 부릅니다. 전해질이 고체이면 화재의 위험성이 낮고 전해질이 분리막 역할까지 할 수 있기 때문에 별도의 분리막이 필요없게 됩니다. 따라서 에너지 밀도도 높일 수 있고 안전성도 높일 수 있는 미래의 배터리인거죠.
삼성SDI나 LG에너지솔루션, SK이노베이션 중 삼성 SDI가 전고체 배터리에 가장 관심이 많으며 2027년까지 개발하겠다고 밝혔습니다. 그만큼 먼 미래의 얘기이죠. 하지만 도요타자동차에서는 2021년까지 시작차(Proto Type Car) 공개 후 1~2년내에 양산할 거라고 밝혔는데요, 실제로 그렇게 할 수 있을지는 미지수입니다. 전고체 배터리는 리튬이온의 전자이동성이 낮아 충전 속도 및 출력에 제한이 있기 때문에 이를 해결하긴 쉽지 않을 겁니다.
그럼에도 불구하고 도요타가 지금까지 전고체 배터리 관련한 특허를 다수 출원, 등록 하였기 때문에 선구자라고는 할 수 있습니다. 도요타는 전기차(EV)에 관심이 많이 없었고 투자도 과감하지 못했습니다. 도요타는 전기차는 먼 미래의 얘기라고 하며 하이브리드(HEV)에 올인을 했었는데, 전기자동차가 테슬라에 의해 생각보다 빨리 보급되면서 시대에 뒤쳐지는 기업이 되었습니다. 과연 도요타 자동차는 전고체 배터리로 또한번 위기를 극복하고 자동차 최강자로 올라설건지
아니면 노키아와 같은 몰락하는 기업이 될지는 두고봐야 될겁니다.
'배터리' 카테고리의 다른 글
| 배터리 라미네이션(Lamination) & 스태킹(Stacking) vs 와인딩(Winding) 공법 (0) | 2023.03.03 |
|---|---|
| 배터리 SOC, SOH란? 차이와 계산 추정법 (0) | 2022.05.05 |
| 테슬라 4680 배터리 특징 (탭리스 배터리, TABLESS) (0) | 2022.03.10 |
| 리튬이온 배터리 원리와 종류 (NCM, NCMA, LFP) (0) | 2021.09.12 |
| 배터리 용어 [용량, 출력, 내부저항(IR), 전류, 전압] (0) | 2021.01.03 |
댓글