교통
추운 기후 전기차가 차량 옵션이 될 수 있을까?
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전기차 보급과 추운 지역의 과제
전기차뿐 아니라 난방과 산업 공정에서도 전기화가 진행되고 있습니다. 그러나 기존 리튬이온 배터리는 낮은 온도에서 성능이 크게 떨어질 수 있습니다. 캘리포니아나 중국의 일부 전기차 시장에서는 덜 두드러지는 문제지만, 북쪽의 추운 지역에서는 중요한 제약입니다.
그런데도 노르웨이처럼 전기차 비중이 높은 나라가 있습니다. 원문에 인용된 자료에서는 전기차 비중을 72%, 하이브리드를 14%로 제시했습니다. 다만 이웃 나라들의 사례는 노르웨이 수준의 큰 보조금이 없다면 보급률이 50% 아래에서 정체될 수도 있음을 시사합니다.
출처: Roland Berger
배터리의 저온 성능이 좋아진다면 이 지역과 비슷한 기후의 나라들이 배터리 전기차(BEV)의 완전한 전환에 더 가까워질 수 있습니다. 지금까지는 나트륨이온 배터리, 특히 CATL의 개발 성과에 기대가 모였습니다. 하지만 새로운 연구는 추위에 더 잘 견디는 리튬이온 배터리를 설계할 가능성을 보여줍니다.
중국 둥화대, 푸단대, 칭다오대, 내몽골대 연구진은 그 결과를 학술지 Angewandte Chemie에 「저온에서 우수한 전기화학 에너지 저장 성능을 가능하게 하는 음의 열팽창 거동」1이라는 제목으로 발표했습니다.
리튬이온 배터리의 저온 문제
리튬이온 배터리는 현재 전기차에 필요한 규모로 공급되는 고에너지밀도 배터리의 대표적인 형태입니다. 앞으로는 전고체 배터리나 벌집 구조를 적용한 리튬이온 배터리가 경쟁할 수도 있습니다.
하지만 어떤 구조에서든 추위는 과제입니다. 특히 영하에서는 전극 물질 안에서 리튬 이온이 이동하는 속도가 느려집니다. 이는 저온에서 일어나는 물리적 변화와 관련된 기본적인 한계로 여겨져 왔습니다.
지금까지 전기차 제조사는 배터리 에너지로 배터리를 데우거나, 겨울철 주행거리 감소를 감수할 수 있을 만큼 큰 배터리 팩을 장착하는 방법을 주로 사용해 왔습니다. 두 방식 모두 비용이나 전력 소모가 늘어납니다.
음의 열팽창(NTE) 전극
연구진이 활용한 특성은 음의 열팽창입니다. 대부분의 물질은 냉각되면 수축하지만, 음의 열팽창을 보이는 물질은 특정 방향으로 팽창합니다. 물이 얼면서 부피가 커져 얼음의 밀도가 액체 물보다 낮아지는 현상이 일상적인 비유입니다.
시험에 사용한 물질은 인산티타늄리튬 LiTi₂(PO₄)₃, 줄여서 LTP입니다.
LTP의 구조
LTP는 TiO₆ 팔면체와 PO₄ 사면체가 연결된 3차원 결정 격자로 이루어집니다. 이 구조에는 리튬 이온이 머물고 이동할 수 있는 공간과 통로가 있습니다.
온도가 내려가면 결정 구조가 한 축을 따라 늘어나 산소 원자 사이의 거리가 커집니다. 그 결과 격자 안의 빈 공간이 넓어져 추운 환경에서도 리튬 이온의 저장과 이동이 쉬워집니다.
저온에서의 성능
빈 공간이 커진다고 해서 추위로 인한 이온 이동성 저하가 완전히 사라지는 것은 아닙니다. 그래도 연구진은 영하 10°C에서 리튬 이온의 확산 속도가 영상 25°C에서 측정한 값의 84%에 이른다고 보고했습니다.
탄소로 코팅한 LTP를 영하 10°C에서 전기화학적으로 시험한 결과 높은 용량과 충방전 속도를 보였습니다. 1,000회의 충방전 뒤에도 초기 용량의 96.8%를 유지해, 시험 조건에서 내구성이 높았습니다.
향후 활용 가능성
이 전극이 캐나다, 스칸디나비아, 러시아와 산악 지역처럼 겨울이 혹독한 곳의 전기차에 적합한지는 추가 연구가 필요합니다. 저온 성능이 충분해야 전기차가 일부 운전자만 선택하는 차를 넘어 폭넓게 쓰일 수 있습니다.
더 나은 전기화학적 특성을 지닌 다른 음의 열팽창 물질이 발견될 수도 있습니다. 장기적으로는 매우 추운 환경에서 작동해야 하는 우주 궤도, 달, 화성의 이동 수단과 에너지 저장 장치에도 응용할 수 있습니다.
첨단 배터리 기술에 투자하기
배터리는 화석연료 사용을 줄이려는 전기화의 핵심 부품입니다. 배터리 관련 기업은 여러 증권사를 통해 투자할 수 있습니다. Securities.io에는 미국, 캐나다, 호주, 영국 등에서 이용 가능한 증권사 안내가 있습니다.
개별 기업을 고르고 싶지 않다면 Amplify Lithium & Battery Technology ETF(BATT), Global X Lithium & Battery Tech ETF(LIT), WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF처럼 여러 종목에 분산 투자하는 상품을 살펴볼 수 있습니다.
CATL (300750.SZ)
앞서 언급한 CATL은 벌집 구조의 리튬이온 배터리와 나트륨이온 배터리 등을 개발하는 업체입니다. 배터리 제조와 공급망의 여러 단계에 참여하며 세계 시장에서 큰 비중을 차지합니다.
리튬이온 배터리뿐 아니라 리튬인산철(LFP) 배터리에도 강점이 있습니다. 회사가 발표한 개선형 제품은 10분 충전으로 최대 600km의 주행거리를 추가할 수 있다고 소개됐으며, 차량과 조건에 따라 총 주행거리가 1,000km를 넘을 가능성도 제시됐습니다. 이는 발표 당시의 성능 주장입니다.
CATL은 다음과 같은 배터리 개발 성과도 발표했습니다.
- 대규모 전력 저장용으로 1만 2,000회 충방전을 목표로 하는 장수명 배터리. 장기 목표는 1만 8,000회입니다.
- 에너지밀도 500Wh/kg 수준을 목표로 하는 배터리. 여객기 전기화에 활용될 가능성이 거론됐습니다.
- 160Wh/kg급 나트륨이온 배터리의 양산. 목표치는 200Wh/kg입니다.
출처: CATL
CATL은 중국의 배터리 재활용 설비에 32억 5,000만 달러를 투자했습니다. 회사는 니켈·코발트·망간의 회수율 99.6%, 리튬의 회수율 91%를 제시했습니다.
규모와 연구개발 역량 덕분에 CATL은 배터리 혁신, 제조, 재활용에서 중요한 역할을 이어갈 수 있습니다. 테슬라 (TSLA ), NIO, 포드, 스텔란티스, 현대차 등 여러 완성차 업체와 협력 관계를 맺고 있습니다.
한 화학계에서 얻은 지식을 다른 배터리 기술에 적용할 수도 있습니다. 예를 들어 벌집 구조의 음의 열팽창 전극, 저온에 강한 나트륨이온 배터리, 또는 추운 지역의 전력망에 쓰일 장수명 저장 배터리를 연구할 수 있습니다. 이는 기사에서 제시한 가능성이지 발표된 CATL 제품은 아닙니다.
생산 규모가 크면 신기술을 기존 설계에 통합할 때 비용상의 이점이 생길 수 있습니다. 다만 투자자는 미국과 중국의 긴장도 고려해야 합니다. CATL은 미국 국방부의 중국 군사기업(CMC) 명단에 올랐습니다. 회사는 군사 관련 사업을 한 적이 없으며 명단 등재가 «실수»라고 주장했고, 법적 대응을 포함해 문제 해결에 나서겠다고 밝혔습니다.
해당 명단 등재가 즉시 제재를 부과하는 것은 아니지만 주가나 서방 시장 수출 전망에 영향을 줄 수 있습니다. CATL의 역사와 기술에 관한 별도 심층 분석도 읽어보세요.
연구 문헌:
1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negative Thermal Expansion Behavior Enabling Good Electrochemical-Energy-Storage Performance at Low Temperatures. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300
