새로운 리튬이온 설계, 추운 날씨에서도 빠른 전기차 충전 가능

전 세계 전기차(EV) 시장이 견고한 성장을 보이고 있으며, 판매되는 자동차 5대 중 1대가 전기차입니다. 

지난 해 전기차 판매량은 25% 증가했으며, 그 결과 전기차는 전 세계 자동차 판매량의 21%를 차지했습니다.

이 성장은 기후 변화에 대한 우려, 전 세계 정부의 정책 지원, 가격 경쟁 심화, 전기차를 저렴하게 만드는 노력, 그리고 배터리 기술의 향상 등 소비자 수요에 의해 촉진됩니다.

배터리 분야에서 리튬이온 배터리는 가벼운 무게, 높은 에너지 밀도, 긴 수명 덕분에 가장 인기 있고 널리 사용되는 배터리 기술입니다. 

하지만 이러한 배터리 기술의 발전에도 불구하고 기존 리튬이온 배터리는 저온 및 고속 충전 시 성능이 제한됩니다. 전극이 너무 두꺼우면 질량 전달 및 계면 동역학 효과가 동시에 고려되어야 하므로 성능에 영향을 받습니다.

이로 인해 설계상의 타협이 발생하여 전기화가 어려운 지역에서 배터리 사용이 제한됩니다. 이는 특히 열 관리가 어려운 극한 환경 및 구성에 해당합니다. 

즉, 리튬 배터리를 개선하려면 고에너지 밀도 전극, 저온 작동, 고속 충전이라는 삼중 과제를 해결해야 합니다. 

이를 목표로 미시간 대학교 엔지니어들은 -10°C까지 낮은 온도에서도 최대 6C의 초고속 충전을 가능하게 하는 전략을 도입했습니다. 저온에서의 고속 충전은 추운 기후에서 전기차 성능을 향상시킬 것으로 기대됩니다. 

영하의 온도에서도 >3mAh/cm2 전극 적재량을 유지하면서 고속 충전이 달성되었습니다. 

이를 위해 팀은 고체 전해질(Li3BO3-Li2CO3)의 원자층 증착을 이용해 인공 고체 전해질 계면(SEI)과 3차원 전극 구조를 통합하는 전략을 제시했습니다. 

이 시너지 전략은 해로운 리튬 플래팅 없이도 극한 조건에서의 계면 및 전달 제한을 해결할 수 있습니다. 전극을 수정해 질량 전달과 계면 동역학을 향상시켜 접근 가능한 용량을 증가시켰습니다.

연구에 따르면, Joule에 발표된¹, 이 연구는 저온 및 고속 충전 조건에서 리튬 플래팅과 용량 감소를 제어하는 주요 메커니즘에 대한 근본적인 통찰을 제공합니다.

추운 날씨에서 전기차의 빠른 충전

전 세계 전기차 채택은 2010년대 이후 꾸준히 성장해 왔습니다. 2020년에는 주요 시장에서 등록이 증가하면서 COVID 팬데믹에도 불구하고 전기차가 큰 전환점을 맞았습니다. 

전기차는 2020년에 기록적인 해를 맞았으며, 연말까지 1천만 대 이상이 도로를 달렸고 배터리 전기 모델이 확장을 주도했습니다.

그 이후 전기차는 더욱 인기를 얻어 도로에서 흔히 볼 수 있게 되었습니다. 그러나 성장 속도는 이제 둔화되고 있습니다. 

AAA 소비자 설문에 따르면, 새 차 또는 중고 전기차를 구매할 가능성이 “있음” 또는 “매우 있음”이라고 답한 미국 성인의 비율이 2023년 23%에서 2024년 18%로 감소했습니다. 또한 63%는 다음 차량 구매를 전기차로 할 가능성이 “없음” 또는 “매우 없음”이라고 답했습니다. 

“전기차를 원했던 초기 채택자들은 이미 전기차를 보유하고 있습니다,”라고 AAA 자동차 연구 담당 이사인 그렉 브래넌이 작년 여름에 언급했습니다. “아직 전기차를 채택하지 않은 나머지 사람들은 실용성, 비용, 편의성, 소유 경험을 고려하고 있으며, 이들 중 일부에게는 이러한 요소가 완전 전기차로 전환하는 데 충분히 큰 장벽이 됩니다.” 관심이 하이브리드로 전환하고 있습니다.

이러한 전환은 겨울철 주행 거리 감소와 충전 속도 저하에 대한 우려 때문이기도 합니다. 겨울에는 전자가 이동할 수 있도록 배터리를 충분히 따뜻하게 해야 하므로 배터리를 데우고 충전 준비를 하는 데 반시간이 걸릴 수 있습니다. 미시간 대학교 기계공학 및 재료과학·공학 부교수인 닐 다스구프타에 따르면:

“전기차 배터리를 충전하는 데는 공격적인 고속 충전이라도 30~40분이 걸리며, 겨울에는 1시간 이상으로 늘어납니다. 이것이 우리가 해결하고자 하는 고충점입니다.” 

연구에 따르면 주행 거리 손실은 10%에서 36%까지 다양합니다. 저온에서는 “거의 모든 화학 물질이 느려진다”는 점이 문제입니다.

그래서 미시간 대학교 엔지니어들은 영하의 날씨에서도 고속 충전과 높은 주행 거리를 가능하게 하는 수정된 전기차 배터리 제조 공정을 개발했습니다. 이러한 주요 문제들이 해결되면 이 공정은 전기차 채택을 더욱 촉진할 수 있습니다.

“우리는 이 접근법이 기존 공장을 크게 변경하지 않고도 전기차 배터리 제조업체가 채택할 수 있는 방안이라고 생각합니다. 처음으로 저온에서도 에너지 밀도를 희생하지 않고 극한 고속 충전을 동시에 달성할 수 있는 경로를 제시했습니다.” 

– 연구 책임 저자, 다스구프타

이 새로운 제조 공정을 활용하면 Li-ion EV batteries는 14°F에서도 최대 500% 더 빠르게 충전할 수 있습니다.

이 강력한 성능은 배터리 전극에 리튬 플래팅이 형성되는 것을 방지하는 구조와 코팅 덕분입니다. 리튬 플래팅은 용량 감소와 사이클 수명 감소를 초래해 배터리 성능을 저해하고, 내부 단락을 일으키는 리튬 수지 형태의 잠재적 안전 위험이 될 수 있습니다. 

리튬 플래팅 형성을 방지함으로써, 이러한 수정은 배터리가 매우 낮은 온도에서 100회 고속 충전 후에도 용량의 97%까지 유지하도록 했습니다.

속도, 주행 거리 및 저온 저항성이 향상된 배터리 설계

전기차 배터리는 화학 에너지를 저장하고 이를 전기 에너지로 변환합니다. 이 변환은 양극(음극)과 양극(양극) 사이에 분리막과 전해질이 있는 리튬이온 셀을 이용한 전기화학 반응에 의해 이루어집니다. 

전해질은 리튬 염과 같은 용액으로, 양극과 음극 사이의 이온 이동을 촉진합니다. 이 이온 이동이 양극과 음극 사이의 전자 흐름을 외부 회로로 유도해 연결된 장치를 전력으로 구동합니다.

방전 중, 즉 배터리가 사용될 때 양극은 리튬 이온을 음극으로 방출합니다. 충전 시, 전원에 연결되면 음극이 리튬 이온을 양극으로 방출합니다. 저온에서는 이온 이동이 느려져 배터리 전력과 충전 속도가 감소합니다.

전기차의 주행 거리를 늘리기 위해, 즉 한 번 충전으로 이동할 수 있는 거리를 늘리기 위해 자동차 제조업체들은 전극 두께를 증가시키는 방식을 채택했습니다. 이는 충전 없이 더 긴 주행을 가능하게 했지만, 일부 리튬이 접근하기 어려워져 충전 속도가 느려지고 배터리 무게 대비 전력이 감소합니다.

미시간 대학교 팀은 이전에² 양극에 각각 40마이크론 크기의 경로를 만들어 배터리 충전 능력을 향상시켰습니다. 이 채널은 빠른 이온 전달을 위한 확산 경로 역할을 했습니다.

이를 위해 그들은 레이저 패터닝 공정을 사용해 3D 그래파이트 양극 구조를 제작했습니다. 이 과정에서 레이저로 그래파이트를 가공하여 리튬 이온이 더 빠르게 자리 잡을 수 있게 했으며, 전극 내부 깊숙이 타격함으로써 보다 균일한 충전을 보장했습니다.

시험 결과, 그들의 설계는 4C와 6C 충전 각각 600 사이클 후에 용량 유지율이 91%와 86%를 보였으며, 3D 양극 설계는 고속 충전 시 90% 이상의 용량에 접근할 수 있게 했습니다.

실내 온도에서는 충전 속도가 크게 빨라졌지만, 저온에서는 여전히 비효율적이었습니다. 이는 전해질과 반응해 전극 표면에 형성되는 화학층 때문이었습니다.

“그 플래팅은 전체 전극이 충전되는 것을 방해해 배터리 에너지 용량을 다시 감소시킵니다.” 

– 연구 공동 저자 마노지 장기드, 미시간 대학교 기계공학 선임 연구원

이 문제의 해결책은 표면층 형성을 방지하는 것이었으며, 이는 리튬 보레이트-탄산염으로 만든 코팅을 배터리에 적용함으로써 달성되었습니다. 약 20nm 두께의 이 코팅은 저온 충전을 가속화했습니다.

이 코팅을 채널과 결합했을 때, 시험 셀은 영하 온도에서 500% 더 빠르게 충전되는 것으로 나타났습니다.

“3D 구조와 인공 계면의 시너지 덕분에 이 연구는 저온에서 고속 충전과 장거리 주행이라는 삼중 과제를 동시에 해결할 수 있습니다.”

– 제1저자 태 초, 최근 기계공학 박사 졸업생

공장 적용 가능한 공정을 개발하기 위한 후속 작업은 미시간 경제 개발 공사에서 자금을 지원받고 있습니다.

미시간 대학교 엔지니어링 팀은 특허 보호도 신청했으며, 다스구프타와 대학이 재정적 이해관계를 가진 Arbor Battery Innovations는 채널 기술을 라이선스 받아 현재 상용화를 추진하고 있습니다.

혁신적인 기업

Ford Motor  

이제 배터리와 전기차 분야의 혁신적인 기업을 살펴보면, 엘론 머스크의 시가총액 8755억 달러인 Tesla가 가장 눈에 띄지만 최근 어려움을 겪고 있습니다. 주가는 연초 대비 32.6% 하락해 261.23에 거래되고 있습니다. 배당금을 전혀 지급하지 않는 이 회사는 2025년 1분기에 전년 대비 (336,681)대 차량 배송량이 13% 감소했습니다. 이 기간 동안 Tesla는 CEO 머스크의 트럼프 행정부 참여와 관련해 보이콧, 시위, 심지어 범죄 행위까지 겪었습니다.

다음은 시가총액 71억 달러인 Albemarle Corporation (ALB )이며, 가장 큰 리튬 생산업체 중 하나이자 리튬이온 배터리 공급망에 핵심적인 기업입니다. ALB 주식도 연초 대비 거의 30% 하락했지만 2.68%의 배당 수익률을 제공합니다.

전기차 인프라 분야에서는 시가총액 2억 7330만 달러인 ChargePoint (CHPT )도 어려운 환경에 직면하고 있습니다. 매출이 감소했으며 주가는 연초 대비 44.25% 하락해 $0.60에 거래되고 있습니다.

그렇다면 실제로 좋은 성과를 내는 기업이 있을까요? 중국 기반 BYD와 CATL이 확실히 그렇습니다.

이 중국 자동차 및 배터리 제조업체는 상당한 재정 성장을 보이며 2024년 연간 매출 1,070억 달러를 보고했으며, 이는 Tesla를 앞서고 있습니다. “BYD는 배터리, 전자제품, 신에너지 차량 등 모든 분야에서 업계 리더가 되었으며, 외국 브랜드의 지배를 깨고 글로벌 시장의 새로운 지형을 재구성하고 있습니다.”라고 BYD 사장 왕츈푸가 말했습니다.

2025년 1분기에는 BYD가 거의 백만 대에 가까운 승용차를 판매했으며, 이는 2024년 1분기 대비 58.7% 증가한 수치입니다. 이 중 20만 대 이상이 해외로 수출돼 2024년 1분기 대비 110.5% 증가했습니다. 주가도 연초 대비 무려 28.77% 상승해 $43.78에 거래되며 1%의 배당 수익률을 지급하고 있습니다.

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)는 또 다른 선도적인 중국 배터리 제조업체로, 50억 달러 규모의 상장을 위해 홍콩 증권거래소의 승인을 받을 예정이며, 이는 재무 상태를 강화하고 확장 계획을 지원할 것입니다.

중국 외에서도 독일 자동차 제조업체 Volkswagen AG (VOW.DE ) 는 큰 진전을 보이고 있으며, 2025년 1분기에 전 세계 배송량이 1.4% 증가해 213만 대에 이르렀다고 보고했습니다. 이 성장은 유럽과 미국에서의 증가에 기인하며, 중국 시장에서는 7.1% 감소했습니다. 그러나 미국 시장의 감소와 글로벌 경기 침체 우려로 영업 이익은 낮아질 것으로 예상됩니다. 또한 트럼프 대통령의 25% 자동차 관세가 시행된 후 가격 인상을 계획하고 있습니다.

미국 시장으로 돌아가 보면, 포드는 대부분의 차를 국내에서 생산하는 미국 자동차 제조업체로서 시장 점유율을 확대할 수 있습니다. 1903년 헨리 포드가 설립한 이 회사는 트럼프 대통령의 계획으로부터 혜택을 받을 좋은 위치에 있습니다. President Andrew Frick:

“우리는 다른 어느 기업보다 더 많은 미국 차량을 조립하고 더 많은 미국 시간제 자동차 노동자를 고용하고 있습니다. 우리는 미국에서 더 많이, 적게가 아니라 더 많이 하길 원합니다.”

이 회사는 다른 제조업체들이 관세 인상으로 가격을 올리는 가운데, 더 많은 구매자를 유치하기 위해 ‘From America, For America’ 캠페인의 일환으로 한시적인 할인 혜택을 최근 출시했습니다.

“우리는 이를 실행할 소매 재고와 차량이 필요한 고객들을 위한 다양한 선택지를 보유하고 있습니다,”라고 포드는 성명에서 말하며, 이번 조치의 이유로 “불확실한 시기”와 “변화하는 경제의 복잡성”을 꼽았습니다.

현재 시가총액 377억 달러인 포드의 주가는 현재 $8.91에 거래되고 있으며, 올해는 4%만 하락했습니다. 이에 따라 EPS(TTM)는 1.46, P/E(TTM) 비율은 6.51, ROE(TTM)는 13.42%이며, 매력적인 6.32% 배당 수익률을 지급하고 있습니다.

2025년 1분기에 포드는 일부 모델 단종으로 미국 판매량이 1.3% 감소한 501,291대라고 보고했습니다.

이는 포드가 2024년 4분기 기대치를 초과했음에도 불구하고, CEO 짐 팔리가 향후 더 어려운 해를 예측했으며, 비용과 품질 개선이 약속된 상황입니다.

올해 포드는 시장 요인에 따른 역풍을 감안해 조정된 이자·세금 차감 전 영업이익(EBIT)이 70억~85억 달러, 조정된 자유 현금 흐름이 35억~45억 달러 사이가 될 것으로 예상합니다.

한편 2024년에는 회사 총 매출이 1,850억 달러, 순이익이 59억 달러(주당 1.46달러), 조정된 자유 현금 흐름이 67억 달러였습니다.

포드는 전기차 시장에서도 큰 진전을 보이고 있습니다. 2024년 약 97,865대의 순수 전기차를 판매했으며 전년 대비 35% 증가했습니다. 하이브리드 판매는 40% 상승해 187,426대에 이르렀습니다. 2025년 1분기에는 전기차 판매가 사상 최고인 73,623대를 기록했으며, 이 26% 성장의 주된 원인은 하이브리드가 33% 상승하고 전기차가 12% 상승한 덕입니다.

결론

배터리는 전기차의 핵심 부품으로 크게 개선되었습니다. 그러나 배터리 기술은 여전히 높은 비용, 원료 공급 부족, 제한된 주행 거리, 긴 충전 시간, 인프라 부족, 안전 문제, 적절한 재활용 및 폐기물 관리 등 여러 과제에 직면해 있습니다. 

최신 연구는 안정화 코팅과 미세 채널을 통해 추운 온도에서도 주행 거리와 충전 속도 사이의 트레이드오프를 해결하는 데 기여하고 있습니다.

충전 속도를 크게 개선함으로써, 이 연구는 전기차 채택에 있어 주요 장애물 중 하나인 겨울철 주행 거리 불안과 긴 충전 시간을 제거할 잠재력을 보여줍니다. 이는 전기차 사용뿐 아니라 전기화 전반을 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다만, 이 공정을 대규모로 구현하려면 비용 효율성과 안전성을 유지해야 합니다.

전반적으로 업계가 더 빠르고 효율적이며 안전한 배터리를 향해 나아가면서, 이러한 혁신은 완전 전기화에 대한 마지막 장벽을 극복하는 데 도움이 되어 더 친환경적이고 깨끗한 미래를 이끌 것입니다.

상위 전기차 주식 목록은 여기에서 확인하세요.

참고 연구:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). 인터페이스 엔지니어링 및 3D 구조를 통한 영하 온도에서 리튬이온 배터리의 6C 고속 충전 가능화. Joule, 2025년 3월 17일 온라인 게시. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). 레이저 패터닝된 3차원 그래파이트 양극 구조를 통한 리튬이온 배터리의 효율적인 고속 충전. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475