모빌리티의 미래 – 배터리 기술

전기차의 부상

2003년 테슬라가 설립될 당시 전기차는 흔히 틈새시장 제품으로 여겨졌습니다. 많은 모델의 주행 거리와 성능이 제한적이었지만, 테슬라 이전에도 일상적으로 사용할 수 있는 전기차는 존재했습니다.

테슬라 (TSLA ) 로드스터의 ^첫 세대 모델(후속 모델은 개발 중)은 고급 스포츠카에 견줄 만한 성능으로 전기차에 대한 인식을 바꾸는 데 기여했습니다.

핵심 요인은 배터리 기술의 발전이었습니다. 초기에는 휴대용 전자기기를 위해 개발된 리튬 이온 셀을 활용했습니다. 이후 차량과 더 긴 주행 거리에 맞춘 전용 시스템이 개발되었습니다.

IEA에 따르면 2022년 세계 전기차 판매는 1,000만 대를 넘어 신차 판매의 14%를 차지했습니다. 여기에는 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드가 포함됩니다. 중국과 유럽이 시장을 이끌었습니다.

전 세계 전기차 판매 – 출처: IEA

성장에도 불구하고 2023년에는 전기차 전환 속도에 대한 의문이 남았습니다. 높은 물가와 금융 비용, 더 폭넓은 소비자를 설득해야 하는 과제가 일부 계획에 부담을 주었습니다. 이는 GM·포드·혼다 등의 전기차 계획 연기나 조정에도 영향을 미쳤습니다.

현재의 한계

초기 구매자들은 새로운 기술과 배출량 감축 가능성을 높이 평가했습니다. 다른 소비자들은 다음과 같은 이유로 구매를 망설였습니다.

• 가격: 대부분의 전기차는 여전히 내연기관(ICE) 차량보다 비용이 더 많이 듭니다. 금리가 상승함에 따라 많은 사람들에게 전기차가 너무 비싸게 될 수 있습니다.
• 주행 거리 불안: 전기차 가격을 낮추는 방법은 작은 배터리 팩 옵션을 선택하는 것입니다. 그러나 이 경우 주행 거리가 짧아 장거리 여행이 어려워지고 충전 시간도 길어질 수 있습니다.
• 추운 날씨: 추위는 일시적으로 사용할 수 있는 에너지를 줄이고 충전을 늦출 수 있습니다. 사전 예열과 주차 중 전원 연결이 도움이 될 수 있지만, 겨울철 야외 주차 차량이 모두 밤새 충전해야 하는 것은 아닙니다.
• 충전 인프라: 아파트에 사는 사람들은 충분한 공공 충전소가 없을 경우 전기차 충전이 어려울 수 있습니다. 긴 대기열, 느린 충전 또는 근처에 충전소가 없으면 불편한 경험이 될 수 있습니다.
• 배터리 안전성 및 내구성: 리튬 이온 배터리는 많은 에너지를 저장합니다. 흔히 쓰이는 액체 전해질 중 상당수는 가연성이 있어 손상이나 과열 시 화재가 발생할 수 있습니다. 위험은 셀 화학, 냉각 및 보호 장치에도 좌우됩니다. 내연기관 차량에도 화재 위험은 있습니다.
• 전력망: 전기차 구매자에게는 큰 문제가 아니지만, 전체 산업에겐 문제가 될 수 있습니다. 전력망은 이미 다소 압박을 받고 있으며, 수백만 대의 차량 충전을 감당하지 못할 수도 있습니다. 전기의 공급원 역시 문제이며, 많은 전기가 석탄을 포함한 화석 연료에서 나오고 있습니다.

배터리 개선은 충전 시간, 주행 거리, 안전성, 저온 성능과 비용을 개선할 수 있습니다. 차량 설계, 충전 시설 및 전력망도 중요합니다.

연구자와 업계 리더들은 기존 설계를 개선하거나 완전히 새로운 배터리 제작 방식을 발명함으로써 이러한 단점을 해결하기 위해 노력하고 있습니다.

에너지 밀도가 높아지면 무게와 부피를 줄일 수 있습니다. 그러나 더 저렴하고 안전하며 오래가고 빨리 충전되는 배터리가 자동으로 만들어지는 것은 아닙니다. 재료와 설계도 중요합니다.

리튬 배터리 개선

첫 번째 단계는 기존 배터리를 개선하고 이 기술에 대한 풍부한 지식과 경험을 활용하는 것입니다. 일부 연구자들은 현재 세대 배터리가 2030년까지 점진적으로 개선될 수 있다고 보고 있습니다: “리튬 이온 배터리 및 그 너머에 대한 전망 — 2030 비전”.

한 가지 연구 분야는 양극입니다. 일부 리튬 이온 화학계는 니켈과 코발트를 사용하고, 다른 화학계는 인산철 등을 사용합니다. 결정 구조와 노화 과정의 변화를 이해하면 성능 개선에 도움이 됩니다.

현재 흑연으로 만든 음극의 흑연을 실리콘이나 산화실리콘으로 일부 대체할 수 있습니다. 실리콘의 이론적 단위 질량당 저장 용량은 훨씬 크지만, 전체 배터리 에너지가 5~10배 늘어난다는 뜻은 아닙니다. 팽창과 열화가 과제이며, 흑연·실리콘 혼합물은 이미 사용되고 있습니다.

전해질을 변경하는 것도 도움이 될 수 있습니다. 새로운 종류의 액체 용매, 더 농축된 전해질, 혹은 젤 형태 전해질이 안전성을 향상시키고 배터리 밀도를 높일 수 있습니다.

마지막으로, 더 나은 설계는 차량과 배터리의 통합을 개선할 수 있습니다. 구조형 배터리 팩은 에너지를 저장하면서 차량의 하중을 지지하는 역할도 합니다. 부품과 무게를 줄일 수 있어 롤스로이스 (RRU.DE ), 테슬라, 볼보가 다양한 방식을 연구했습니다. 언급된 주행 거리 16% 개선은 특정 설계 목표로, 모든 차량에 적용되는 수치는 아닙니다.

고체 전해질 배터리

오랫동안 이론화되어 왔으며 실험실에서 서서히 현실화된 고체 전해질 배터리는 종종 배터리 기술의 성배로 묘사됩니다.

고체 전해질 배터리는 액체 전해질을 고체 이온 전도체로 대체하며, 전해질 자체를 없애지는 않습니다. 일부 설계는 에너지 밀도를 높이고 가연성 액체를 줄일 수 있습니다. 생산 공정도 달라질 수 있으며, 인용된 분석에서는 최대 3주의 생산 기간 절감 가능성을 논의했습니다. 실제 절감 효과는 공정에 따라 다릅니다.

일부 개발사는 3~5분 충전을 목표로 합니다. 이는 개발 목표이며 모든 고체 전해질 배터리의 자동적인 특성은 아닙니다.

여러 기업은 고체 전해질 배터리의 상용화 목표로 2026~2029년의 서로 다른 시점을 제시했습니다. 퀀텀스케이프 (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), 토요타 (TM), 파나소닉 (6752.T), LG (051910.KS), 삼성SDI (006400.KS) 등이 개발에 참여했습니다. 일정은 계획이지 출시 보장은 아닙니다. 테슬라 (TSLA)의 4680은 원통형 리튬 이온 셀의 규격으로, 고체 전해질 화학계를 뜻하지 않습니다.

고체 전해질 배터리의 문제점

실험실 시제품을 저렴하고 신뢰할 수 있는 대량 생산으로 확대하기는 어렵습니다. 품질, 자동화와 비용 요건을 동시에 충족해야 합니다. 2023년에 제시된 2026~2028년 시장 진입 시점은 전망이었으며 확정된 결과가 아니었습니다.

출처: Vertex Holdings

리튬 금속 음극을 사용하는 일부 설계는 셀당 리튬을 더 많이 필요로 할 수 있습니다. 그러나 모든 설계나 저장 에너지 1kWh당 사용량에 일률적으로 적용되지는 않습니다. 리튬 가격은 2022년까지 크게 올랐지만 향후 가격은 공급과 수요에도 좌우됩니다. 새로운 설계의 재활용 역시 과제입니다.

응축형 배터리

높은 에너지 밀도를 구현하는 방법이 완전한 고체 전해질만 있는 것은 아닙니다.CATL은 응축형 전해질을 활용한 배터리를 발표했습니다. 2023년 4월 발표에서 회사는 최대 500Wh/kg의 에너지 밀도와 빠른 생산 확대 가능성을 제시하고 항공기 및 차량 적용을 개발하고 있다고 밝혔습니다. 이는 회사가 제시한 성능과 계획입니다.

발표된 셀 수준의 에너지 밀도는 전기 항공 분야에서 주목할 만했습니다. 실제 항공기를 구현하려면 출력, 수명, 안전성, 인증과 적합한 배터리 팩도 필요합니다.

대체 배터리 화학

일반적인 니켈 함량이 높은 리튬 이온 배터리 외에도 여러 화학계가 있습니다. LFP 역시 리튬 이온 화학계에 속합니다. 차량에는 무게, 에너지 밀도, 안전성과 비용의 균형이 중요합니다.

장기적으로는 이러한 대체 배터리 중 일부가 비용이 많이 드는 리튬 배터리를 대체할 수도 있으며, 특히 가격에 민감한 자동차 대량 시장에서 그렇습니다.

리튬 인산철 배터리(LFP)

LFP는 니켈 함량이 높은 리튬 이온 화학계보다 에너지 밀도가 낮은 경우가 많습니다. 30~40%라는 차이는 비교하는 셀과 팩에 따라 달라집니다. 셀과 팩 설계가 개선되면서 저가 차량에 매력적인 선택지가 되었습니다.

LFP는 니켈과 코발트가 필요하지 않습니다. 철과 인산은 풍부하고 비교적 저렴합니다. 긴 수명은 사용 기간 전체의 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.

CATL (300750.SZ)과 BYD (BYDDF)는 주요 LFP 생산업체입니다. CATL은 시장 입지를 강화하기 위해 다른 화학계도 개발하고 있습니다.

CATL은 2023년 8월 셴싱을 발표하면서 700km 이상의 주행 거리와 10분 충전으로 400km 주행 거리 추가가 가능하다고 밝혔습니다. 실제 결과는 차량, 시험 조건과 충전 환경에 따라 달라집니다.

나트륨 이온

리튬은 리튬 이온 배터리의 중요한 원료입니다. 나트륨은 훨씬 풍부하며 일부 고가 원료에 대한 의존도를 낮출 가능성이 있습니다.

2022년 11월 보도에서는 BYD가 저가 모델 돌핀과 시걸에 나트륨 이온 배터리를 사용할 것이라고 전망했습니다. 이는 예측이었고, 실제 출시 모델에는 LFP 블레이드 배터리가 사용되었습니다. 당시 시걸에 대해 언급된 약 1만 달러 가격은 중국 시장 기준이었습니다.

CATL은 2021년에 160Wh/kg의 나트륨 이온 셀을 발표했습니다. 노스볼트는 2023년 11월 160Wh/kg을 넘는 검증된 셀을 발표했으며, 초기 적용 분야는 고정형 에너지 저장이었습니다.

나트륨 이온은 풍부한 원료 덕분에 비용을 낮출 가능성이 있습니다. 일부 니켈계 배터리 가격의 3분의 1이라는 수치는 전망으로, 일반적인 시장 가격이 입증된 것은 아닙니다. 에너지 밀도와 적합한 용도는 설계에 따라 달라집니다.

기타 배터리 화학계

이 밖에도 이동 수단에 사용될 가능성이 있는 화학계가 있습니다. 다만 많은 기술이 초기 연구 단계여서 단기간에 전기차에 도입될지는 불확실했습니다.

유리 배터리

흥미로운 아이디어는 풍부한 재료를 활용하지만 결과의 독립적인 확인이 어려웠습니다. 연구진에는 리튬 이온 배터리 개발의 선구자 중 한 명인 존 B. 구디너프가 포함되었습니다. 그는 2023년 6월 25일 사망했습니다. 이 개념의 실용적 성능은 재현 가능한 실험을 통해 평가해야 합니다.

그래핀 배터리

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어지며 전기 전도성이 높습니다. Graphene Manufacturing Group (GMG.V)은 그래핀·알루미늄 이온 배터리를 연구했습니다. 충전 속도 최대 70배와 수명 3배라는 비교는 초기 시험에 관한 것으로, 상용 전기차 팩의 검증된 성능은 아닙니다. 이 회사는 2023년 5월 광산업체 리오틴토와 시험용 팩 개발 계약을 체결했습니다 (RIO ). 2025년경 대규모 생산은 당시 계획이었습니다.

마그네슘 이온 배터리

2023년 연구에서는 준고체 전해질을 사용하는 마그네슘 이온 배터리를 설명했습니다. 이 배터리는 −22°C에서 900회 충방전 후 용량의 90%를 유지했습니다. 기술은 아직 연구 단계였습니다.

리튬-황 배터리

리튬과 황을 사용하는 이 배터리는 고가의 니켈·코발트 양극을 필요로 하지 않습니다. 높은 에너지 밀도가 가능하지만, 수명과 용량 저하가 주요 과제입니다.

출처: Vertex Holdings

나트륨-황 배터리

기존 나트륨·황 배터리는 약 300°C의 고온에서 작동합니다. 황의 용해를 억제하는 새로운 전해질 연구는 더 낮은 온도에서 작동할 가능성을 열어 줍니다. 저렴하고 성능이 좋은 저장 장치를 위한 한 가지 연구 방향입니다.

알루미늄 이온 배터리

알루미늄 이온 배터리는 알루미늄 음극을 사용할 수 있습니다. 연구진은 양극의 흑연을 유기 산화환원 고분자로 대체해 더 높은 소재 단위 질량당 저장 용량을 얻기도 했습니다.

알루미늄-공기

알루미늄·공기 셀은 알루미늄과 산소의 반응으로 전기를 만들며 알루미늄을 소비합니다. 인용된 개념에서는 약 1,600km 주행 거리와 1,350Wh/kg의 비에너지를 제시했습니다. 이는 질량당 에너지로, W/kg 단위의 출력과 다릅니다. 완성 차량의 성능을 보장하는 수치가 아니며 항공기 활용도 제안되었습니다.

개발사에 따르면 전용 시스템에서 알루미늄을 약 90초 만에 교체할 수 있습니다. 반응 생성물을 다시 알루미늄으로 만들려면 산업적 처리와 에너지가 필요합니다. 기존 전기차의 주행 거리를 늘리는 보조 모듈도 제안되었습니다.

개발에는 알루미늄 생산과 회수를 비롯한 기술적·경제적·기반시설 과제가 있습니다. 지원 제도도 영향을 줄 수 있지만, 공공 지원 부족을 근거 없이 유일하거나 가장 큰 장애물로 단정할 수는 없습니다.