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전기차 배터리의 현재와 미래

전기차의 시작

현재 자동차 시장은 내연기관에서 전기차로 점점 넘어가고 있는 추세이다. 내연기관이 환경에 주는 악영향이 걱정스러웠던 사람들의 심리를 전기차가 파고든 것이다. 10년 전만 하여도 배터리 관련 문제 때문에 전기차가 실용화 되기까지는 오랜 세월이 걸릴 것이라고 예측하는 사람들이 많았는데, 현재 도로를 다니다가 보면 전기차를 표시하는 파란색 번호판을 가진 차량들이 간간히 보인다. 대표적인 전기차 기업 중 하나인 테슬라는 10년동안 주가가 굉장히 뛰어오르며 이미 자동차 기업 중에서는 도요타를 제치고 주가 총액이 1위를 달성하게 되었다. 그럼 테슬라는 과연 어떻게 하여서 성공할 수 있었을까? 이와 관련되어 전기차에 사용되는 배터리와 앞으로의 전기차 시장에 대해서 같이 알아보도록 하겠다.


전기차의 역사

전기차는 사실 역사가 가솔린 차보다 깊다. 전기차는 1832년에 스코틀랜드의 사업가였던 앤더스경이 처음 개발하였는데, 이는 다임러 벤츠가 1873년 최초의 가솔린 엔진을 개발하기까지 무려 41년이나 차이가 난다. 전기차가 인기를 끄게 된 것은 1881년, 구스타프 투르베가 프랑스 파리에서 열린 국제 전기박람회에서 삼륜전기자동차를 선보인 이후다. 이 전기차는 엑셀과 브레이크만으로 수동 변속이 필요없어 운전이 매우 쉬웠고, 전기차로서 진동과 소음이 적어 상류층 여성들에게 인기가 굉장히 많았다. 이렇게 여성들이 즐겨타는 차로서 마담차라는 별명을 가진 채 1900년대까지 꽤나 많은 인기를 누렸지만 결국에는 굉장히 적은 주행 거리와 굉장히 긴 충전 시간등으로 인하여 시장에서 외면받기 시작하였다.

최초의 전기차

시간이 흘러서 원유 가격이 점점 상승하기 시작한 1980년대 이후 가솔린 차의 유지비가 많아지고 사람들에 환경에 대한 관심이 높아지면서 전기차는 다시 점점 주목을 받기 시작한다. 계속하여서 지구 온난화를 유발하는 온실가스를 배기로 배출하는 내연기관 자동차와는 달리 전기차는 친환경 자동차로서 환경에는 훨씬 이득이였다. 이런 틈새시장을 공략하여서 많은 자동차 기업들이 실험용으로 전기차를 가끔씩 내놓았지만 부족한 충전시설과 부족한 주행거리 등으로 시장에서 큰 주목을 받은 전기차는 없었다. 하지만 2010년대에 들어서면서 점점 많아지는 전기차 충전소 시설들과 정부들의 환경에 더 이득인 전기차에 보조금을 점점 많이 주면서 전기차는 떠오르기 시작한다. 그리고 그 중심에는 지금까지 테슬라가 있다고 할 수 있다.


테슬라

생각보다 테슬라는 오래된 기업이다. 미국의 주 중에서 가장 배출가스 축소와 내연기관 자동차 축소에 힘을 쏟는 캘리포니아에 회사를 2003년 설립한 이후 2008년 첫 차인 테슬라 로드스터를 선보였다. 사실 테슬라는 창립 이후 2017년까지 총 46억 달러의 적자를 기록하는 등 생존 전망마저 굉장히 불투명한 기업이었다. 하지만 보급형 모델인 테슬라 모델 3가 불티나게 팔리며 2021년 현재 자동차 기업 중 주가 총액 1위에 달하고 있다. 기존의 작고 못생긴 전기차들과는 달리 고성능의 전기 차량을 선보임으로서 전기차에 새로운 패러다임을 제시한 기업이라고 하였다.

테슬라의 가장 잘 팔리는 모델 중 하나인 모델 3

테슬라가 성공할 수 있었던 이유는 물론 테슬라의 주행보조 기능인 오토파일럿(2단계 자율주행으로서 속도 유지, 차로 유지, 차로 변경 등이 자동으로 가능하다)의 역할도 크다고 생각하지만 새로운 방식으로 배터리를 사용하여서 주행거리를 대폭 늘린 것이 크다고 생각한다. 테슬라는 큰 배터리를 적게 넣는 방식이 아니라 소형 배터리를 굉장히 많이 넣는 방식을 사용하였는데, 이가 처음 등장하였을 때는 다른 경쟁 차종들에 비하여 주행거리나 출력 등 많은 부분에서 월등하였다. 그럼 이제 전기차의 배터리에 대해서 더 자세히 알아보도록 하겠다.


전기차 배터리의 현재

일반 내연기관 자동차들은 엔진이 가장 중요한 부품인데 반하여 전기차에서는 모터와 더불어 배터리가 가장 중요한 부품 중 하나이다. 부품 가격 중 배터리가 40% 이상을 차지하고 사람들 또한 전기차를 구매할 때 가장 먼저 보는 것이 주행거리이다. 주행거리와 더불어 이 배터리의 용량이나 최고 전압에 이해 모터의 최고 출력 또한 결정되는 등 전기차에서 배터리는 굉장히 중요한 역할을 맡는다.


우선 배터리는 크게 1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있는데 이 중 전기차에 사용되는 배터리는 2차 전지이다. 2차 전지는 충전이 가능하여서 재사용이 가능한 전지를 말하는데 2차 전지의 종류로서는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 납 축전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등이 있으며 이 중 리튬 폴리머 전지가 현재로서는 가장 많이 쓰인다. 현대 기아에서 만든 코나 ev나 니로 ev 파워트레인의 경우에는 에너지 용량 64kwh의 리튬 폴리머 배터리를 장착하는데 리튬 폴리머 배터리 98개를 묶어서 사용한다. 이에 반하여 테슬라 로드스터의 경우에는 리튬 이온 배터리를 6831개를 사용하여 파워트레인을 구성한다. 개인적인 견해로는 작은 전지 여러 개여 사용하는 것이 정확한 원리는 모르겠으나 전기차 성능이나 배터리 용량에 더 이득인 것 같다.


하지만 배터리 셀 수를 늘리는 것은 고전압을 얻을 수 있기는 하지만 그에 따른 충전인 방전 상황이 다르기 때문에 셀 관리는 수가 많아질수록 힘들어지게 된다. 그래서 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System)이 굉장히 중요하다. 관리도 관리지만 배터리의 안전을 고려하면 BMS는 꼭 필요하게 된다. 리튬이온배터리보다는 리튬 폴리머 배터리가 안정성이 좀 더 좋다고는 하지만 사고 시 생명과 직결될 수 있는 부분이므로 어느 정도의 안정성은 담보되어야 하기 때문이다. 안정성 떄문에 아직까지 제조공정이 복잡하여 가격이 비싸고 폴리머 전해질로 액체 전해질보다 이온의 전도율이 떨어지는 점 저온에서의 사용 성능이 저하되는 등의 단점을 안고서라도 리튬 배터리를 채택하기도 한다.


리튬 폴리머 배터리에는 5대 구성요소가 있는 이는 양극, 음극, 전해질, 분리 막, 케이스이다. 여기에서 리튬 배터리용 양극재에는 니켈, 코발트, 망간이 사용되는데 이것의 앞 글자를 따서 N,C,M이라고 하고 비율을 적절히 섞어 안정성과 성능을 결정짓는다. 양극재 종류로는 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP가 있는데 각각의 장점과 단점이 있다. 코나 EV나 니로 EV에는 NCM622의 리튬 폴리머 배터리를 사용하는데, NCM 배터리의 특징으로는 전지용량은 작은 편이지만 안정성은 다른 양극재들에 비하여 높은 편이다. 수명도 다소 길지 않고 난이도도 어려운 편에 속하지만 가격이 그나마 저렴하여서 애매하게 아직까지 현대자동차에서 사용하는 중이다. 자동차에 장착되는 배터리의 제조는 현재 우리나라, 중국, 일본 등이 생산하고 있는데 이중 우리나라에서는 LG 화학과 삼성 SDI가 독보적인 존재이다.

여러가지 종류의 배터리 양극재
전기차 배터리의 미래

많은 글로벌 기업들이 리튬 전지를 대체할 차세대 전지 개발에 주력하고 있는 한편, 차세대 전지 개발의 핵심은 저장 용량이 증대, 충전 수명 연장, 소형화 그리고 안전이라고 생각한다. 현재 주요 전기 제작 기업들은 수소연료 전지에 주목하고 있는데, 우리나라 학계에서도 차세대 전지에 대한 연구 성과가 매우 좋다. 우리 정부도 에너지 효율이 높은 전지 연구개발을 적극 지원하고 있다. 배터리 관련 300여개의 특허를 가지고 있는 중국의 전기차 기업 비야디(BYD)가 더 안전하면서 600KM를 달릴 수 있는 전기차 배터리 양산을 선포한 한편, 우리나라도 배터리 산업을 중국에 따라잡히지 않도록 꾸준히 연구개발을 계속 해나가야 할 것이다.

윤성욱 | Chemistry & Biology | 지식더하기


참고자료

[1] https://www.evpost.co.kr/wp/%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%B0%A8%EC%97%90%EA%B2%8C-%EA%B0%80%EC%9E%A5-%EC%A4%91%EC%9A%94%ED%95%9C-%EB%B6%80%ED%92%88-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%B4-%EC%95%8C%EC%95%84%EB%B3%B4/

[2] https://www.samsungpop.com/mobile/invest/poptv.do?cmd=fileDown&FileNm=uma_200828.html

[3] https://news.hmgjournal.com/TALK/Story/Electroniccar-History-Tip

[4] https://namu.wiki/w/%ED%85%8C%EC%8A%AC%EB%9D%BC


첨부 이미지 출처

[1] 오토헤럴드

[2] evpost.co.kr


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