전기차 배터리 용량 감소, 수소도 원인일 수 있다

배터리 에너지 손실

리튬 이온 배터리는 전자기기와 전기차에 널리 쓰이지만, 내부에서 일어나는 열화 과정에는 아직 밝혀야 할 부분이 많다. 사용하지 않을 때도 충전량이 줄어드는 자기 방전이 그중 하나다. 다만 자기 방전과 영구적인 용량 감소는 구별해야 하며, 모든 배터리가 7~10년 후 수명을 다한다고 단정할 수는 없다.

자기 방전은 코발트를 사용하지 않는 일부 배터리에서도 나타난다. 코발트의 가격과 채굴 과정의 인권 문제는 대체 소재를 찾는 이유지만, 소재를 바꾼다고 모든 열화 문제가 해결되는 것은 아니다.

기존 자기 방전 모형은 전해질에서 양극으로 리튬 이온이 확산하는 과정에 초점을 맞췄다. 새로운 연구는 이와 다른 경로도 존재함을 보여준다.

연구진은 수소의 원자핵인 양성자가 층상 양극의 자기 방전에 관여하는 경로를 확인했다. 이는 문제를 줄이는 설계에 도움이 될 수 있지만, 모든 배터리의 자기 방전을 수소 하나로 설명한다는 뜻은 아니다.

연구 결과는 학술지 Science에 「층상 양극에서 용매를 매개로 일어나는 산화물의 수소화」라는 제목으로 발표됐다.

이 연구에는 콜로라도대학교, 미 육군 DEVCOM 연구소, SLAC 국립가속기연구소, 아르곤 국립연구소, 태평양북서부 국립연구소, 휴스턴대학교, 미국 국립재생에너지연구소, 오리건주립대학교, 스탠퍼드대학교, 로런스버클리 국립연구소, 국립타이완대학교의 연구진이 참여했다.

이전 패러다임

리튬 이온 배터리가 방전될 때 리튬 이온은 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동한다. 전자는 외부 회로를 통해 흐르면서 전력을 공급한다. 충전할 때는 반대 방향의 과정이 진행된다.

출처: ResearchGate

연구에서 비교한 기존 설명은 전해질의 리튬 이온이 양극으로 확산하는 자기 방전 모형이다. 리튬 이온이 양극에 갇혀 충전 때 돌아가지 못한다는 설명만으로 이 연구의 출발점을 표현하는 것은 정확하지 않다.

리튬 이온의 이동과 전극 구조를 개선하는 일은 배터리 설계의 핵심이다. 이번 결과는 그 중요성을 부정하기보다, 전해질 용매와 양극 사이의 수소 이동도 고려해야 함을 보여준다.

수소가 리튬 자리를 차지함

연구진은 미국 에너지부 산하의 일리노이주 아르곤 국립연구소에서 강력한 X선 분석 장비 등을 활용해 배터리 소재를 조사했다.

연구에서는 탄산염 용매에서 리튬이 빠져나간 양극 산화물로 수소가 전달되는 경로를 확인했다. 수소가 양극 구조에 들어가면서 리튬 이온의 거동과 저장 가능한 용량에 영향을 줄 수 있다. 이를 수소 분자 전체가 그대로 이동하는 과정으로 이해해서는 안 된다.

연구 대상은 층상 전이금속 산화물 양극이다.

자기 방전된 양극에서는 양성자와 리튬 이온의 농도 구배가 서로 반대 방향으로 나타났다. 이런 화학적·구조적 불균일성은 기계적 손상과 열화를 촉진할 수 있다.

따라서 수소화는 충전량 감소뿐 아니라 양극의 구조 변화와 수명 저하에도 영향을 줄 수 있다. 다만 리튬 이온 배터리의 열화에는 여러 원인이 있으므로, 기존에 알려진 모든 손상을 수소 탓으로 돌릴 수는 없다.

기대할 수 있는 활용

전기차 배터리의 한계 개선

전기차 보급과 코발트 없는 배터리로의 전환에서는 에너지 밀도, 주행 거리, 가격을 함께 고려해야 한다. 일부 대체 소재는 에너지 밀도가 낮아 같은 무게로 확보할 수 있는 주행 거리가 짧을 수 있다. 차종과 배터리 설계에 따라 차이는 달라진다.

배터리 팩의 수명과 교체 비용에 대한 걱정도 전기차 구매 결정에 영향을 준다. 초기 구매 가격이 높은 차종이라면 이런 부담이 더 크게 느껴질 수 있다. 실제 수명은 사용 환경, 충전 방식, 열 관리 등에 좌우된다.

배터리를 더 오래 사용할 수 있다면 원료 채굴과 새 배터리 생산에 필요한 에너지를 줄이는 데 도움이 된다. 수명이 끝난 배터리의 재사용과 재활용도 함께 고려해야 한다.

양극 수명 개선

수소화 경로를 이해하면 양극을 보호하는 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어 양극 표면의 코팅으로 전해질과의 반응이나 수소 전달을 억제하는 방안을 검토할 수 있다.

수소 전달을 줄일 수 있도록 전해질 조성을 바꾸는 방법도 연구 대상이다.

전고체 배터리

전고체 배터리에도 이 결과는 시사점이 있다. 전고체 배터리는 전해질이 없는 배터리가 아니라 액체 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리다. 따라서 액체 탄산염 용매와 관련된 경로는 달라질 수 있지만, 수소나 계면 반응으로 인한 모든 문제에서 자유롭다고 단정할 수는 없다.

전고체 배터리의 성능과 수명은 고체 전해질의 종류, 전극과의 접촉, 제조 방식 등 여러 요인에 달려 있다. 이번 연구만으로 전고체 배터리의 우수한 성능을 설명할 수는 없다.

첨단 배터리 기술에 투자하기

배터리는 화석연료 의존도를 낮추려는 전기화 투자의 핵심이다. 가격, 신뢰성, 수명을 개선하면 에너지 시스템 전환에 도움이 될 수 있다. 다만 배터리 생산과 원료 조달의 환경 부담도 함께 평가해야 한다.

배터리 관련 기업에는 여러 증권사를 통해 투자할 수 있다. securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국 및 그 밖의 여러 국가의 증권사 소개를 확인할 수 있다.

개별 배터리 기업을 고르기 어렵다면 Amplify Lithium & Battery Technology ETF(BATT), Global X의 Lithium & Battery Tech ETF(LIT), WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF 같은 배터리 관련 ETF도 살펴볼 수 있다. 여러 기업에 분산 투자할 수 있지만, 배터리 산업에 집중된 위험과 손실 가능성은 남는다.

관련 기사인 「투자를 검토할 배터리 주식 10선」과 「배터리 금속 및 재생에너지 관련 광산 주식 10선」도 참고할 수 있다.

첨단 배터리 기업

1. CATL (300750.SZ)

앞서 살펴본 CATL은 전기차 배터리 분야의 주요 제조사다. 회사가 인용한 자료에 따르면 2023년 세계 전기차 배터리 사용량 기준 점유율은 36.8%였다. 전 세계 모든 종류의 배터리를 절반 이상 생산한다는 뜻은 아니다. 소재부터 제조, 재활용까지 공급망의 여러 단계에 참여하고 있다.

CATL은 리튬 이온 배터리 분야에서 축적한 생산 경험을 바탕으로 새로운 제품을 발표해 왔다. 발표된 사양과 실제 사용 조건에서의 성능은 구별해 살펴봐야 한다.

CATL이 발표한 여러 배터리 기술에는 다음과 같은 사례가 있다.

• 대규모 에너지 저장용 배터리의 12,000회 사이클 수명과 장기 목표 18,000회에 관한 발표.
• 10분 충전으로 400km 주행 거리를 확보하고 총 700km 주행 거리를 목표로 한 LFP(리튬 인산철) 배터리. 수치는 회사가 제시한 시험 조건에 따른다.
• 에너지 밀도 500 Wh/kg의 응축형 배터리 발표와 전기 항공기 활용 가능성.
• 에너지 밀도 160 Wh/kg의 나트륨 이온 배터리와 향후 목표 200 Wh/kg에 관한 보도.

출처: CATL

CATL은 중국의 배터리 재활용 설비에 32억 5,000만 유로를 투자하는 계획도 발표했다. 회사는 니켈·코발트·망간의 회수율 99.6%, 리튬의 회수율 91%를 달성했다고 밝혔다. 이는 처리 공정의 금속 회수율이며, 사용한 배터리를 모두 수거한다는 뜻은 아니다.

CATL의 생산 규모와 연구개발은 배터리 혁신, 제조, 재활용 분야에서 경쟁력을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 다만 경쟁과 원료 가격, 수요 변화는 사업 전망에 영향을 준다.

CATL은 Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis 등 전기차 업체의 공급망과 협력 관계에 참여한다. 현대자동차도 CATL과 전략적 협력 관계를 맺은 기업 중 하나다.

한 종류의 배터리에서 얻은 생산 경험이 다른 소재의 개발에 도움이 될 수는 있다. 그러나 벌집 구조나 응축형 기술을 나트륨 이온 배터리에 곧바로 적용할 수 있다고 단정해서는 안 된다. 규모의 경제가 주는 이점도 제품별 공정과 생산량에 따라 달라진다.

2. BYD (BYDDY)

BYD는 전기차 시장에서 Tesla와 경쟁하며 여러 완성차 업체의 주요 경쟁사로 성장했다.

BYD는 휴대전화용 충전식 배터리 제조에서 출발해 대규모 전기차 제조사로 성장했다. 중국을 비롯해 태국, 스웨덴, 호주, 뉴질랜드, 싱가포르, 이스라엘, 브라질 등 해외 시장에도 진출했다. 국가별 판매 순위는 조사 기간과 순수 전기차·플러그인 하이브리드의 포함 여부에 따라 달라진다.

중국은 2023년 일본을 넘어 세계 최대 자동차 수출국이 됐으며 BYD도 해외 판매를 확대했다. 회사는 헝가리 공장 건설 계획처럼 현지 생산 기반도 추진했다.

중국 시장에서 약 10,000~12,000달러 수준으로 소개된 Seagull 같은 소형차는 전기차 구매층을 넓힐 수 있다. Seagull에 사용된 Blade 배터리는 나트륨 이온 배터리가 아니라 LFP 배터리다. 수출 시장의 판매 가격은 세금과 운송비 등에 따라 달라진다.

출처: User3204의 자체 제작물, CC BY-SA 4.0

BYD는 자체 배터리도 생산하며 LFP(리튬 인산철) 분야에서 CATL과 경쟁한다. 원문에 제시된 중국 시장 점유율 41.1%와 33.9%는 조사 기간과 집계 범위가 명확하지 않아 현재 시장 전체의 비교치로 해석하기 어렵다.

저가 전기차의 수출 확대는 유럽과 미국의 관세 및 다른 무역 장벽에 부딪힐 수 있다. 이런 정책은 BYD의 성장과 시장 진출 방식에 영향을 줄 수 있다.

남미, 러시아, 아프리카, 중동, 동남아시아의 일부 시장에서도 중국 전기차 판매가 늘고 있다. 다만 이들 지역 전체에 보호할 자동차 산업이 없다고 일반화할 수는 없다. 현지 생산 기반과 정책은 국가마다 다르다.

이들 지역은 인구 규모가 크지만, 그 모두를 곧바로 구매 가능한 고객으로 볼 수는 없다. 소득, 충전 인프라, 관세, 금융 여건과 외교 관계가 실제 수요와 시장 접근성에 영향을 준다. 보호무역 장벽이 약할 것이라고 단정하기도 어렵다.

유럽연합과 미국에서도 가격 경쟁력과 현지 생산은 BYD의 전략에 영향을 줄 수 있다. 동유럽, 멕시코, 튀르키예 등에서의 생산 계획은 지역별 규제와 투자 조건에 좌우되며, 미국 시장 진출이나 경쟁력이 보장되는 것은 아니다.