배터리 노화 신화를 깨는 획기적인 연구: 전기차 배터리는 실제로 오래 지속되도록 설계되었습니다

전 세계적으로 전기차 채택이 증가하고 있으며, 2023년에 판매된 자동차 중 거의 5대 중 1대가 전기차였습니다. 전기차가 새로운 기록을 계속 세우고 있지만, 사람들은 배터리 수명에 대한 우려를 가지고 있습니다.

배터리 기술은 전기차 혁명의 핵심으로, 차량에 전력을 공급하고 충전 속도, 주행 거리 및 전반적인 성능을 결정합니다. 전기차는 일반적으로 고에너지 밀도를 가진 충전식 리튬이온 배터리를 사용하며, 따라서 크기에 비해 더 많은 전력을 생산합니다.

하지만 배터리 수명은 주행 거리 불안과 충전 시간 및 인프라와 함께 소비자들의 주요 우려 사항으로 남아 있습니다. 기술에 대한 소비자 인식이 전기차 채택을 촉진하는 데 핵심 역할을 하므로, 그들의 우려와 기대를 이해하는 것이 중요합니다.

문제는 소셜 미디어와 뉴스 기사들이 배터리 노화로 인한 전기차의 높은 잔존 가치 손실에 대한 인식을 형성한다는 점입니다.

언론에서는 중고 전기차를 ”납처럼 선반에 놓여 있다”고 묘사하며 배터리의 급속한 노화가 주행 거리를 크게 감소시킨다고 주장해, 많은 소비자들이 중고 전기차를 사용할 수 없다고 생각하게 만들었습니다.

따라서 새로운 연구가 조기 노화에 대한 우려가 실제로 정당한지 조사하는 과제를 맡았습니다. 또한 우려를 완화하기 위해 7,000대 이상의 차량을 분석하여 배터리 수명과 차량 잔존 가치에 대한 깊은 통찰을 제공했습니다.

전기차 및 플러그인 하이브리드 차량용 배터리 진단 분야의 글로벌 리더인 AVILOO가 수행한 이 연구는 전기차 배터리가 집중적으로 사용되더라도 긴 서비스 수명을 유지한다는 것을 보여줍니다.

배터리 수명은 제조사와 연령에 따라 다르지만, 내연기관(ICE) 차량의 구동계 부품 수명과 경쟁하거나 심지어 이를 초과할 수 있다고 예상됩니다.

연구에 따르면 대부분의 배터리가 원래 용량의 80% 이상을 유지하고 있어 일반 보증 기간을 훨씬 넘어 사용할 수 있습니다. 기술 발전은 배터리 성능과 내구성을 향상시키고 있으며, 사용자가 추가로 최적화할 수 있습니다.

배터리 수명을 실제로 결정하는 요소는 무엇인가요?

배터리 수명이 얼마나 오래 지속되는지를 살펴볼 때, 연구는 잔존 용량이 결정적인 요소임을 발견했습니다.

시간이 지나면서 사물들이 마모되고 잠재력을 잃는 것처럼 배터리도 마찬가지입니다. 배터리의 용량과 효율은 시간이 지남에 따라 자연스럽게 감소합니다. 이 과정은 시간에 관련된 캘린더 노화와 사용에 관련된 사이클 노화로 구분됩니다.

캘린더 노화는 배터리 셀 내부의 화학 구조가 시간이 지나면서 변하는 결과이며, 배터리가 실제로 사용되지 않아도 발생합니다. 반면 사이클 노화는 반복적인 충전 및 방전 사이클에 의한 스트레스로 발생합니다.

이 두 과정이 함께 배터리의 상태(SoH)를 저하시키며, 에너지 저장 용량과 전반적인 성능 모두에 부정적인 영향을 미칩니다.

SoH는 배터리 노화 정도를 나타내는 핵심 지표이지만, 제조사마다 계산 방법과 목표가 달라 표준화된 정의가 없습니다. 연구에서는 이를 배터리 용량을 의미하는 것으로 단순히 사용했습니다.

그렇다면 실제 조건에서 배터리 노화는 얼마나 심각할까요? 이를 알아보기 위해 연구는 먼저 P3 전기차 플릿의 50대 차량을 사용해 소유자의 주행 및 충전 행동을 고려하여 배터리 노화를 조사했습니다.

그 후 Aviloo는 7,000대 이상의 차량 데이터를 활용하여 최대 300,000km 주행 거리와 배터리 노화 간의 정량적 분석을 수행했습니다.

다른 연구들이 학술 및 실험실 데이터를 사용한 것과 달리, 이 연구는 실제 차량 데이터를 활용해 외부 영향을 고려했습니다. 배터리 진단을 수행하는 Aviloo는 60,000건 이상의 용량 테스트를 수행했습니다.

이 테스트에서 사용자는 AVILOO Box를 차량의 OBD 인터페이스에 연결하고 배터리가 100%에서 10%까지 감소할 때까지 주행합니다. 이 기간 동안 Box는 데이터를 지속적으로 수집해 실시간으로 회사 서버에 전송하며, 서버는 데이터를 검증하고 분석합니다. 이를 통해 배터리의 SoH를 제공할 수 있으며, 이는 현재 추출 가능한 에너지와 새 배터리일 때의 에너지를 비교해 계산됩니다.

예상보다 훨씬 느린 속도로 진행되는 배터리 노화

전자 제품에 대해 소비자들은 항상 배터리를 고민합니다. 기기가 충전으로 얼마나 오래 지속될까요? 하루 종일 충전해야 할까요? 질문은 많으며, 전기차도 마찬가지인데, 전기차는 내연기관 차량보다 더 비쌉니다.

따라서 전기차 배터리 열화에 대한 심각한 우려가 있는 것은 당연합니다.

하지만 이러한 우려는 대부분 근거가 없으며, 연구에 따르면 배터리 용량 감소는 예상보다 훨씬 느리게 진행됩니다.

이 감소는 주로 초기 단계에서 발생합니다. 처음 30,000km에서는 용량 감소가 가속되지만 이후 안정화되어 거의 선형적으로 진행됩니다. 현장 데이터 관찰에 따르면 후반 사용 단계에서 배터리 감소는 초기 단계보다 현저히 낮습니다.

초기 용량 손실의 원인은 첫 충방전 사이클 동안 양극에 형성되는 SEI 층(고체 전해질 계면)입니다. 이 층이 형성되면 리튬이 분해 생성물로 변환되어 에너지 저장에 사용할 수 있는 양이 감소합니다. 이 층이 안정화되면 용량 손실도 크게 둔화됩니다.

데이터에 따르면 200,000km 이상 주행 후에도 대부분의 배터리 SoH가 80% 이상이었습니다.

3~5년 된 고사용 차량으로 구성된 P3 플릿 데이터는 거의 모든 차량이 90% 이상의 SOH를 보였으며, 다양한 방식으로 강도 높은 사용과 제조사 차이에도 불구하고 이 ‘우수한 성능’이 유지되고 있음을 보여줍니다.

전반적으로, 연구는 ‘현장 데이터는 실제 조건에서 차량(특히 고주행 거리 차량)이 실제 용량을 더 오래 유지한다’고 밝혔습니다.

사용자가 배터리 수명을 늘릴 수 있는 방법

전기차 배터리가 정말 오래 지속된다는 사실을 알게 되어 좋지만, 이를 개선할 방법이 있을까요? 결국 우리는 전자 기기의 배터리 수명을 향상시킬 수 있는 방법을 알고 싶어합니다. 전기차의 경우에도 확실히 할 수 있습니다.

Aviloo의 이번 연구는 전기차 소유자가 배터리 수명을 연장할 수 있는 여러 방안을 제시합니다. 그 중 하나는 캘린더 노화(시간에 의한 열화)를 유발하는 요인을 해결하는 것입니다. 이는 과도한 온도가 화학 반응을 촉진해 용량 감소를 가속화하므로, 차량을 온화하거나 낮은 온도 환경에 주차하는 것을 포함합니다.

전기차를 장시간 정차해야 할 경우, 배터리 충전 상태를 10%에서 50% 사이의 낮거나 중간 수준으로 유지하는 것이 권장됩니다. 이는 충전 상태(SoC)도 배터리 내부 화학 과정에 영향을 미치기 때문입니다. 높은 전압은 특히 장기간 비활동 시 배터리 노화를 가속화합니다.

이제 사이클 노화(차량 사용)와 관련된 요인을 살펴보겠습니다. 연구는 충전 및 방전의 이상적인 시나리오로 온도를 20~50°C의 중간 범위로 유지할 것을 제시합니다. 차량 사용 중 온도를 너무 높거나 낮게 유지하면 리튬 플라팅 증가, SEI 형성, 화학 구조 붕괴 등 노화 메커니즘이 가속됩니다.

배터리 수명을 향상시키는 또 다른 방법은 잦은 급속 충전을 피하는 것입니다. 가끔은 괜찮으며 노화에 큰 영향을 주지 않지만, 급속 충전을 반복하면 부정적인 영향을 미칩니다.

충전 습관을 바꾸는 것도 권장됩니다. 따라서 배터리를 완전히 방전한 뒤 100%까지 충전하는 대신, 방전 깊이를 20%에서 80% 사이로 낮게 유지하는 것이 배터리 부하와 노화를 줄이는 방법입니다.

운전 습관도 바꿀 수 있습니다; 고속 및 급가속으로 장거리 주행을 피하면 높은 전류 흐름을 줄여 온도 상승과 배터리 부하를 감소시킵니다. 따라서 전기차 배터리 노화를 늦추기 위해 적당한 운전 습관을 채택하세요.

전기차 제조사의 보증은 어떨까요?

Aviloo의 연구는 사용 가능한 전기차 브랜드의 95%를 포괄하며, 전기차 제조사의 보증이 얼마나 효과적인지도 조사했습니다. 결과는 그들이 실제로 좋은 성과를 내고 있음을 보여줍니다.

지속적인 기술 발전과 제조사의 경험 축적으로, 제조사들은 점점 더 강력한 보증을 제공하게 되었으며, 이는 특정 연령이나 주행 거리 중 먼저 도달하는 시점까지 최소 70%의 잔존 용량을 보장합니다. 이 기준 이하에서는 보증이 용량을 보장 수준으로 복구하는 수리 조치를 포함합니다.

전기차 배터리 시스템의 현재 표준 보증은 8년 또는 160,000km이며, 이는 전체 차량 및 기타 부품에 대한 보증의 두 배에 해당합니다. Lexus와 같은 일부 제조사는 연장 보증도 제공하기 시작했습니다.

Aviloo 데이터에 따르면, 제조사들은 보증 기간 동안 SoH가 70% 이하로 떨어지는 경우가 거의 없기 때문에 점점 더 포괄적인 보증 조건을 제공하고 있습니다.

연구는 또한 배터리 수명 주기의 다양한 보증 단계들을 조사했습니다. 첫 번째는 보증 종료(End-of-Warranty, EoW)로, 시간이 경과하거나 주행 거리 기준에 도달하면 보증이 종료됩니다. 분석에 따르면 배터리는 이 시점 이후에도 계속 사용할 수 있습니다.

두 번째는 첫 번째 수명 종료(End-of-First-Life, EoFL)로, 배터리가 70% SoH에 도달하기 전에도 발생하며, 이를 두 번째 수명 활용에 사용할 수 있습니다. 세 번째 단계는 두 번째 수명 종료(End-of-Second-Life, EoSL)이며, 배터리가 더 이상 사용에 적합하지 않아 재활용해야 할 때 도달합니다.

마침내, 모든 사용 후 배터리 가치는 얼마나 될까요?

그렇다면 배터리의 잔존 가치는 어떨까요? 실제로 차량이 일정 기간 사용된 후의 추정 가치를 의미하는 잔존 가치는 높게 나타났습니다.

배터리 잔존 가치는 주로 두 가지 요인, 즉 현재 전기차 시장 가격과 신배터리 가격에 따라 결정되며, 중고 배터리의 상태도 중요한 역할을 합니다.

보증 기간 동안 가치 손실은 주로 배터리 노화와 남은 용량에 따라 달라지지만, 보증이 만료되면 더 큰 가치 손실이 예상된다고 연구는 말합니다. 따라서 연구가 지적한 바와 같이 배터리의 각 수명 주기 단계에서 잔존 가치 손실은 예상됩니다.

하지만 첫 번째 수명 종료 시에도 신배터리 비용에 따라 두 번째 사용을 통해 상당한 가치를 가질 수 있습니다. EoFL에 도달하면 배터리는 두 번째 수명 활용에 적합한지 테스트됩니다.

Aviloo는 배터리가 심하게 노화되더라도 첫 번째 또는 두 번째 수명 이후에 완전한 경제적 손실을 의미하지는 않는다고 밝혔습니다. 이는 리튬, 니켈, 구리와 같은 원자재가 여전히 보존되어 있기 때문입니다. 이러한 귀중한 금속과 기타 재료는 재활용 과정에서 회수될 수 있으며, 신배터리 제작에 재사용되어 경제적 이점을 지속합니다.

따라서 재활용 업체가 지불할 최소 가치에 도달할 때까지 재처리함으로써 중고 배터리의 가치를 높일 수 있으며, 배터리 상태와 무관합니다.

전기차 분야를 선도하는 기업들

전기차가 주목받으면서 전 세계 자동차 제조사들은 전기차에 집중하고 있습니다. 여기에는 General Motors (GM ), Lucid Group (LCID ), BMW, Ford (F ), Volkswagen, Volvo, 그리고 Rivian Automobile (RIVN ) 등이 친환경 변화를 이끌고 있습니다. 한편, CATL, LG Energy Solution, Panasonic, QuantumScape (QS ), 그리고 Samsung SDI는 전기차 배터리 제조에 적극 참여하고 있습니다. 이제 이 분야에서 가장 눈에 띄는 기업들을 살펴보겠습니다.

#1. Tesla

전기차 선두 제조업체인 Elon Musk의 Tesla (TSLA ) 는 배터리 기술 및 관리 시스템으로도 유명합니다. 시가총액은 1.069조 달러이며, TSLA 주가는 현재 $334.40에 거래되고 있어 올해 33.97% 상승했습니다. EPS(TTM)는 3.65, P/E(TTM)는 91.27입니다.

새로운 미국 행정부는 Tesla 주식에 대해 상승 전망을 제시하고 있으며, Musk는 대통령 당선자 Donald Trump이 백악관 복귀를 추진하는 데 핵심 인물로 활약하고 있습니다. 이 기술 억만장자는 최근 Trump과 전 공화당 대통령 후보 Vivek Ramaswamy와 함께 새로 설립된 정부 효율성 부서(DOGE)를 이끌도록 선정되었습니다.

재무 측면에서 미국 자동차 제조업체는 2024년 3분기에 순이익 21억 8천만 달러를 기록했으며, 이는 전년 대비 16.2% 증가한 수치로, 같은 기간에 11.5% 증가한 116억 위안(약 16억 달러) 규모의 이익을 기록한 중국 경쟁사 BYD를 앞섰습니다. Tesla의 이익 마진은 자동차 규제 크레딧 수익인 7억 3,900만 달러 덕분에 강화되었습니다. 연간 누적 매출은 719억 8천만 달러였으며, 이번 분기에 462,890대의 차량을 인도했습니다. 내년에는 보다 저렴한 모델을 출시하는 것이 목표입니다.

2. BYD (BYDDY: OTCPK)

BYD는 자체 차량 및 타 차량용 전기차와 리튬이온 배터리를 생산하는 주요 중국 기업입니다. 시가총액은 1,117억 9천만 달러이며, BYD 주가는 현재 $66.68에 거래되고 있어 올해 20.64% 상승했습니다. 회사가 지급하는 배당 수익률은 1.31%입니다.

2024년 3분기에 BYD는 매출 282억 달러를 보고했으며, 이는 전년 대비 24% 증가한 수치로 같은 기간 Tesla의 251.8억 달러 매출을 앞섰습니다. BYD의 연간 누적 매출은 705.3억 달러입니다. 중국 전기차 시장 하락에도 불구하고 회사는 강력한 실적을 기록했습니다. 실제로 전기차 거인인 BYD는 8월에 370,854대라는 사상 최고 판매량을 기록했습니다. 흥미롭게도 BYD 판매량의 절반은 하이브리드 차량이며, 이는 배터리 전용 차량보다 빠르게 성장하고 있습니다.

하지만 회사는 EU, 캐나다, 미국 등에서 잠재적인 관세 인상이라는 역풍에 직면하고 있습니다. 한편, 최신 reports 에 따르면 BYD는 치열한 가격 전쟁에 대비하고 있으며 내년 공급업체에 10% 가격 인하를 요청했습니다. 이는 회사가 올해 420만 대 이상의 신에너지 차량(NEV) 판매를 초과할 것으로 예상되며, 저비용 공급망, 기술 혁신 및 규모의 이점을 통해 이루어질 것입니다.

결론

전동 모빌리티는 온실가스 배출을 크게 줄여 기후 변화 대응에 중요한 역할을 합니다. 그러나 이 전환에는 높은 생산 비용과 소비자 인식 등 여러 과제가 존재합니다. 전동 모빌리티와 배터리 수명에 대한 소비자 교육은 채택을 가속화할 수 있으며, 잘못된 정보는 근거 없는 두려움을 증폭시켜 사회적 수용을 낮추고 전기차 시장 성장을 저해합니다. 이 연구가 보여준 것처럼 정확하고 투명한 데이터를 제공하면 현실적인 이해를 돕고, 소비자가 정보에 입각한 구매 결정을 내릴 수 있게 하며, 전기차에 대한 신뢰를 구축할 수 있습니다.

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