예방 한 방울이 치료 한 파운드보다 가치 있다 – 전기차 배터리 건강 개선에 EIS가 어떻게 활용되는가

전기차(EV)는 최근 몇 년간 많은 관심을 받고 있으며, 이는 청정 에너지와 지속 가능한 교통수단으로의 전 세계적인 전환에 의해 촉진되었습니다.

배기 가스 배출이 전혀 없기 때문에 전기차는 휘발유 및 디젤 차량보다 환경에 훨씬 더 친환경적입니다. 이는 전기차가 전 세계 배출량의 약 6분의 1을 차지하는 도로 교통 탈탄소화의 핵심 기술이 되게 합니다.

또한 내연기관 차량보다 운행 및 유지보수 비용이 낮아 훨씬 효율적이고 경제적입니다.

이러한 이유로 전기차의 인기도와 채택률이 크게 증가하고 있으며, 2023년 판매된 차량 중 거의 5대 중 1대가 전기차였습니다. 2020년에 1천만 대를 돌파한 이후, 지난해 도로 위 전기차 수는 4천만 대에 이르렀습니다.

2023년 한 해에만 전기차 판매량은 거의 1,400만 대에 달했으며, 그 중 95%가 중국, 유럽, 미국에 집중되었습니다. 이러한 성장으로 전기차는 전 세계 신차 판매의 약 20%를 차지하게 되었으며, 2030년까지 50%까지 급증할 것으로 예상됩니다.

전기차는 하나의 유형만 있는 것이 아니라, 여러 종류가 있습니다:

• 배터리 전기차(BEVs)
• 플러그인 하이브리드 전기차(PHEVs)
• 하이브리드 전기차(HEVs)
• 연료전지 전기차(FCEVs)

이 중 배터리 구동 전기차가 가장 흔하며, 2023년 전기차 재고의 70%를 차지했습니다.

BEV는 전기로만 구동되며 외부 전원에서 충전할 수 있습니다. 하이브리드 및 플러그인 하이브리드 차량보다 효율적입니다.

배터리는 전기차의 에너지원이므로 전기차에서 가장 중요한 부품입니다. 내연기관을 배터리 전기차로 대체함으로써 오염을 크게 줄이고 풍력·태양광 등 재생 에너지와의 연계를 돕으며 지속 가능성을 확보할 수 있습니다.

전기차에서 배터리 상태는 성능을 좌우합니다. 배터리 용량은 킬로와트시(kWh)로 측정되며, 이는 배터리가 저장할 수 있는 전기량과 한 번 충전으로 차량이 주행할 수 있는 거리를 나타냅니다.

배터리의 에너지 밀도가 높을수록 충전당 주행 거리가 늘어납니다. 또한, 급속 충전은 전기차 소유자가 차량을 빠르게 충전할 수 있게 하는 데 필수적입니다.

현재 전기차는 리튬이온 배터리를 포함한 다양한 배터리를 사용하고 있으며, 리튬이온이 가장 일반적입니다. 납산 배터리는 비용 효율성과 긴 수명으로 특히 미국에서 인기가 높으며, 리튬-황 배터리는 이론적인 충전 용량을 증가시킵니다.

환경 인식의 확대와 정부 인센티브 외에도, 특히 배터리 기술의 발전이 전기차를 더욱 효율적이고 저렴하게 만들어 전기차 채택을 촉진하고 있습니다.

따라서 배터리는 전기차와 더 넓은 청정 에너지 전환에 핵심적인 역할을 하며, 배터리의 상태와 성능을 정확히 파악하는 것이 중요합니다. 이를 위해 연구자들은 배터리 상태를 고정밀로 모니터링하여 장기적인 효율성과 안정성을 극대화하는 새로운 기술을 개발했습니다.

전기차 배터리 정밀 진단 기술

한국과학기술원(KAIST) 연구진은 소량의 전류만을 사용하여 전기차 배터리 상태를 정확히 진단할 수 있는 새로운 기술을 개발했으며, 이는 효율적인 관리와 안전한 사용에 필수적입니다.

이 개발은 지난 주 KAIST에 의해 발표되었으며, 전기공학부의 이상국 교수와 권경하 교수가 이끄는 연구팀이 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 기술을 구축했다고 밝혔습니다.

이 EIS 기술은 전기차의 고용량 배터리 성능과 안정성을 향상시키는 데 활용될 수 있습니다.

전기화학 임피던스 분광법은 배터리의 임피던스 크기와 변화를 측정하는 강력한 도구로, 배터리 효율성과 손실을 평가할 수 있게 합니다.

배터리 임피던스는 배터리 내부에서 전류 흐름에 대한 저항을 측정한 것입니다. 이 비침습적인 방식은 배터리 고장을 방지하기 위해 약화나 열화의 초기 징후를 식별하고 배터리의 성능과 상태를 검사합니다.

배터리 충전 상태와 건강 상태를 평가하는 중요한 도구인 이 기술은 화학적·물리적 변화 분석, 열 특성 설명, 고장의 원인 파악 및 배터리 수명 예측도 가능합니다.

하지만 기존의 EIS 장비는 비용이 비싸고 복잡하여 설치·운용·유지가 어렵습니다.

또한 정밀도와 감도 제한이 있어 배터리에 수암페어 수준의 전류 교란을 가하면 큰 전기적 스트레스를 초래할 수 있습니다. 이는 화재나 배터리 고장의 위험을 높여 실제 적용이 어려워집니다.

이에 따라 KAIST 엔지니어링 팀은 이러한 문제들을 해결하기 위해 저전류 EIS 시스템을 개발하여 고효율 전기차 배터리의 상태와 건강을 진단했습니다.

이 새로운 시스템은 10mA와 같은 저전류 교란으로 배터리 임피던스를 정확히 측정할 수 있습니다. 측정 과정에서 새로운 EIS 기술은 열 효과와 안전 문제를 최소화합니다.

또한 이 시스템은 부피가 크고 비용이 많이 드는 부품의 필요성을 줄여 차량에 손쉽게 통합할 수 있습니다.

새로운 EIS 시스템은 다양한 작동 조건, 즉 여러 온도와 충전 상태(SOC) 수준에서 전기차 배터리의 전기화학적 특성을 정확히 파악하는 데 성공을 입증했습니다.

이 시스템은 전기차 배터리 관리 시스템(BMS)에 손쉽게 통합될 수 있으며, 기존 고전류 EIS 방식에 비해 높은 측정 정확도와 낮은 복잡성·비용을 제공해 전기차에 큰 이점을 제공합니다.

책임 저자인 권경하 교수에 따르면, 이 시스템은 에너지 저장 시스템(ESS)의 배터리 진단 및 성능 향상에도 기여할 수 있습니다.

전기차 배터리 상태 및 안전성에 대한 기타 개발

배터리의 중요성을 감안할 때, 연구자들은 배터리 상태를 보다 정확히 파악하기 위한 다양한 방법을 연구해 왔습니다. 결국 전기차 배터리 용량은 약 6.5년 동안 약 10% 감소합니다. 과충전 및 과방전도 이러한 감소에 기여합니다.

지난 해, 미시간 공대 연구팀은 공식을 만들었습니다 배터리를 분해하지 않고도 진단하고 모니터링할 수 있도록. 이 공식은 다른 광학·전자 장치에도 적용 가능하며, 배터리 소재의 모든 조합에 적용됩니다.

연구자들이 배터리를 조사하는 한 방법은 벽면 플러그에서 나오는 전류와 유사하지만 훨씬 약한 약한 교류 전류를 배터리에 가해 탐색하는 것입니다. 이 과정에서 임피던스는 교류 전류의 주파수 또는 방향 전환 속도에 따라 변합니다.

핵심 측정값은 주파수에 따른 임피던스 변동이며, 이는 낮은 주파수에서 높은 주파수로 스윕하여 얻습니다. 이를 위해 배터리 소재와 그 특성 간의 관계를 구축해야 합니다. 그러나 팀은 자체 공식을 고안하여 이 관계를 설명했습니다. 몇 개의 주파수에서 임피던스를 측정하면, 해당 공식으로 넓은 주파수 범위에 대한 임피던스를 예측할 수 있습니다.

팀에 따르면, 이 공식은 소수의 실험 데이터만으로 소재 임피던스를 나타내는 방법으로, 다양한 소재로 만든 장치 내 전류 흐름을 모델링하는 전체 과정을 단순화하며 사전에 소재의 미세구조를 알 필요도 없습니다.

또한 더 나은 고체 전해질 설계, 배터리 다른 구성 요소의 임피던스 특성 파악, 충·방전 시 보다 안전하고 효율적인 제어를 위한 정확한 배터리 모델 구축에 도움이 됩니다.

당시 팀은 이 공식을 활용해 혼합 소재 고체 전해질을 이해하고 설계할 계획이며, 이는 더 높은 용량과 향상된 안전성을 제공할 수 있다고 밝혔습니다.

구조 배터리 설계, 소재 및 모니터링 시스템의 발전이 지속되고 있으며, 이는 내부 단락 및 열폭주를 방지하는 안전 조치를 강화했습니다. 이를 위해 연구자들은 실리콘 기반 양극, 특히 양극층 내 SiO 입자 분포에 주목하고 있으며, 사이클링 중 부작용을 제어하면서 에너지 밀도를 높여 안전성과 수명을 향상시키고 있습니다.

배터리 설계·조립 측면에서 접착제도 중요한 부품으로 떠오르고 있습니다. 접착제는 배터리 셀과 냉각 시스템 간 열 인터페이스 최적화를 통해 성능을 향상시키고, 다양한 소재를 결합함으로써 설계 유연성을 높이며, 안전을 위한 에너지 관리 개선 및 제조 공정 간소화를 통한 비용 절감 효과를 제공합니다.

연구자와 기업들은 배터리 소재 탐색 및 제조에 AI를 활용하고 있습니다. 최근 전기차 배터리 기술이 크게 발전했지만, 소재, 설계, 주행 거리 및 배터리 관리 시스템 측면에서 여전히 여러 문제가 존재합니다.

전기차의 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 성능을 최적화하여 효율성, 안전성 및 수명을 보장하는 역할을 합니다. 기존의 배터리 건강 및 충전 상태 추정은 미래 열화를 정확히 예측하지 못했으며, 이에 따라 실시간 데이터를 분석해 배터리 건강 상태(SOH)와 충전 상태(SOC)를 정밀히 추정하는 머신러닝 알고리즘이 BMS에 도입되었습니다. BMS는 이러한 추정치를 활용해 배터리 성능을 최적화합니다.

전 세계 전기차 배터리 제조·시험 시장은 빠르게 성장하고 있으며, 2023년 기준 19억 달러 규모였습니다. 이 시장은 향후 8년간 연평균 17.6% 이상 성장해 2032년에는 78억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.

이 성장의 원동력은 전기차 채택 증가와 이에 따른 배터리 생산 확대, 배터리 화학 기술 발전, 배터리 안전 및 신뢰성 요구, 그리고 지속 가능성 및 탄소 배출 감소에 대한 관심 증대입니다.

몇 달 전, 미국 에너지부(DOE)도 4300만 달러를 배정해 핵심 배터리 분야의 연구·개발·배치를 촉진하는 프로젝트에 자금을 지원한다고 발표했습니다. 이 이니셔티브의 목표는 저비용 전기차 배터리 제조 혁신, 고장 감소, 배터리 안전성 향상 및 배터리 소재 국내 공급망 강화를 추진하는 것입니다.

이는 미국 국가 교통 탈탄소화 청사진과 일치하며, 배터리 기술을 발전시켜 안전하고 효율적인 무공해 전기차에 전력을 공급함으로써 2050년까지 교통 부문의 모든 배출을 제거하는 것을 목표로 합니다.

전기차 배터리 관리 발전에 기여하는 기업들

이제 전기차 배터리 건강 기술, BMS 시스템 및 EIS 발전을 교차적으로 다루며 전기차 시장을 지속하고 배터리 수명 및 안전성을 최적화하는 데 중요한 역할을 하는 기업들을 살펴보겠습니다.

엘론 머스크의 Tesla (TSLA )는 가장 눈에 띄는 기업 중 하나이며, 전기차용 고용량·장수명 배터리에 깊이 투자하고 있습니다. Tesla 주가는 올해 4.83% 상승했으며, 현재 시가총액은 8,307억 달러에 달합니다.

다음은 시가총액 32억 4천만 달러 규모의 QuantumScape Corporation (QS )으로, 전기차용 고체 상태 리튬-금속 배터리를 개발하고 있습니다. 시가총액 19억 달러 규모의 Enovix Corporation (ENVX )는 첨단 실리콘 양극 리튬이온 배터리를 개발 중입니다. 시가총액 111억 8천만 달러 규모의 Albemarle Corporation (ALB )는 선도적인 리튬 생산업체이며 배터리 효율 및 안전성 향상에 관여하고 있습니다. QS, ALB, 그리고 ALB 주가는 각각 올해 6.47%, 34.14%, 13.14% 하락했습니다.

Analog Devices (ADI )는 시가총액 1,140억 달러 규모의 기업으로, 연초 대비 주가가 15.67% 상승했습니다. 동시에 전기차 배터리용 배터리 관리 시스템(BMS) 솔루션을 제공합니다.

이제 올해 실적이 좋은 또 다른 관련 기업을 자세히 살펴보겠습니다.

General Motors Company

시가총액 592억 달러 규모의 자동차 대기업인 GM은 올해 주가가 크게 상승하고 있습니다. 2024년이 2개월 남은 시점에서 GM 주가는 46.77% 급등해 현재 주당 52.9달러에 거래되고 있습니다. EPS(TTM)는 9.37, P/E 비율(TTM)은 5.63이며, 배당 수익률은 0.91%입니다.

General Motors (GM ) 는 자동차, 트럭 및 자동차 부품의 설계·제조·판매와 소프트웨어 기반 서비스를 제공하고 있습니다. 또한 Ultium 플랫폼을 통해 전기차 라인업의 배터리 기술, 안전성 및 성능 향상을 선도하고 있습니다.

Ultium은 2020년에 처음 공개되었으며, CEO인 Mary Barra는 이를 다음과 같이 설명했습니다:

“다중 브랜드·다중 세그먼트 전기차 전략으로, 풀 사이즈 트럭 사업과 경쟁할 수 있는 규모의 경제를 제공하면서도 복잡성은 훨씬 낮고 유연성은 더욱 높습니다.”

최근 회의에서 Barra는 Ultium 배터리 브랜드를 종료한다고 발표했지만, 전기차 판매가 개선될 것이라고 밝혔습니다. GM의 전기차 라인업에는 Chevy Equinox와 Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq, Cadillac Celestiq가 포함됩니다.

그러나 GM 배터리 셀 부사장 Kurt Kelty는 Ultium이 다양한 신형 전기차 모델 출시를 돕는 데 중요한 역할을 했다고 인정하며 다음과 같이 언급했습니다:

“(회사의) 일괄형 배터리에서 새로운 프로그램 전용 배터리로의 전환.”

GM은 현재 여러 배터리 화학을 검토하고 있어 성능 요구를 보다 잘 충족시킬 수 있습니다.

자동차 회사는 또한 미시간에 배터리 프로토타이핑 센터를 2027년에 구축할 계획이며, 이를 통해 배터리 개발 시간을 최대 1년 단축할 수 있습니다.

이번 주에 GM은 2024년 3분기 재무 실적을 보고했으며, 해당 분기 매출이 490억 달러로 전년 대비 10% 증가했으며, 조정된 자동차 자유 현금 흐름은 58억 달러로 전년 대비 9억 달러 증가했습니다. 이 기간 동안 GM은 10억 달러 규모의 자사주를 매입했습니다.

회사는 3분기에 미국 소매 시장 점유율이 증가한 반면, 중국의 운영 환경은 여전히 어려웠습니다. 인플레이션 압력으로 인해 보증 비용도 증가했습니다.

전기차 측면에서 회사는 올해 북미에서 20만 대의 전기차를 생산할 계획이며, 진행 중인 EV 사업은 아직 수익성을 달성하고 전기차 손실을 20~40억 달러 개선할 것으로 기대하고 있습니다.

결론

정부 정책·인센티브·산업 전략이 가속화되면서 청정 에너지 전환이 급속히 진행되고, 전 세계는 전기차로 전환하고 있습니다. 전기차의 급격한 성장으로 배터리의 핵심 역할이 강조되며, 높은 효율성과 안전성이 요구됩니다. 전기화학 임피던스 분광법과 혁신적인 배터리 관리 시스템과 같은 기술은 전기차 배터리 건강 모니터링을 정교화하고 보다 안전하고 지속 가능한 전기차 사용에 기여할 수 있습니다.

더 많은 연구, 기업 및 정부가 전기차 배터리 진단 개선에 집중함에 따라, 우리는 더 오래 지속되는 배터리, 안전한 설계 및 효율적인 전력 저장을 보게 될 것이며, 이는 전기차가 주류 채택에 도달하는 데 필수적입니다. 이러한 혁신은 야심찬 글로벌 기후 목표 달성을 돕고, 보다 깨끗하고 지속 가능한 미래를 이끌어낼 수 있습니다.

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