모빌리티의 미래 – 배터리 기술

전기차의 부상

테슬라가 2003년에 설립될 때, 전기차에 대한 아이디어는 대부분 농담으로 여겨졌습니다. 당시 모든 전기차는 본질적으로 고급 골프 카트에 불과했으며 배터리 주행 거리도 짧고, 편안함도 낮으며, 크기도 작고 최고 속도도 매우 낮았습니다.

The Tesla (TSLA ) Roadster (1^st generation, as 2026년에 새로운 버전이 기대됩니다) completely changed this perception, with the performance of a luxury sports car, making electric cars (EVs) suddenly cool.

The key part that made EVs suddenly viable was progress in battery technology. At first, this was riding on the back of lithium-ion batteries designed for the small electronic market. And soon, more dedicated systems were developed to give EVs more autonomy.

From a small volume even in 2016, electric cars (EVs) are now an exponentially growing part of global sales, with more than 10 million electric cars sold in 2022, or 14% of global sales, with China and Europe leading the way.

전 세계 전기차 판매 – 출처: IEA

그럼에도 불구하고, 전기차 채택에 대한 몇몇 질문은 남아 있습니다. 높은 인플레이션과 일반 대중(초기 수용자뿐만 아니라)을 설득해야 하는 필요성 때문에 전기차 판매가 둔화되었습니다. 이는 최근 GM, 포드, 혼다와 같은 주요 제조업체에 의한 전기차 전략 연기 또는 취소를 만들었습니다.

현재의 한계

초기 전기차 애호가들은 더 탄소 중립적인 차량을 사용하게 되어 기뻐했으며, 새로운 기술을 대표했습니다. 환경에 덜 관심 있는 구매자들은 여전히 다양한 이유로 전기차에 대해 다소 회의적입니다:

• 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: 기후가 추울수록 배터리에 더 큰 손상을 줍니다. 대부분의 전기차는 따뜻한 차고에 있지 않다면 겨울 밤에 충전을 유지해야 합니다. 또한, 추위는 전기차의 이론적 주행 거리를 감소시킵니다.
• 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. 배터리의 전해질은 매우 인화성이 높습니다. 이는 특히 지하 주차장과 같은 밀폐된 환경에서 배터리를 잠재적인 안전 위험으로 만들 수 있습니다. 내연기관 차량이 불연성은 아니지만, 여전히 우려되는 부분입니다.
• 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.

현재 전기차의 대부분 문제는 더 나은 배터리로 해결될 수 있습니다. 느린 충전, 낮은 주행 거리, 안전 문제, 추위 민감성, 그리고 가격까지 모두 현재 리튬 이온 배터리의 특성입니다.

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

전반적으로, 더 고밀도 배터리는 더 저렴하고 안전하며, 수명이 길고 충전 속도가 빠른 배터리를 의미합니다.

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”.

The first part is to improve the 양극 part of the battery, which is currently mostly made of lithium and nickel in lithium-ion batteries. A deeper understanding of the crystalline structure and chemical change when a battery ages could improve all specs of the batteries.

현재 흑연으로 만든 음극은 5~10배 더 에너지 밀도가 높은 실리콘 또는 실리콘 산화물로 대체될 수 있습니다. 이는 현재까지 어려웠는데, 실리콘 음극은 너무 빨리 “노화”되는 경향이 있기 때문입니다. 흑연-실리콘 혼합물은 이미 더 일반화되고 있으며, 배터리 전체 에너지를 높이는 데 도움이 될 수 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 배터리와 전기차 간의 관계를 최적화하는 옵션입니다. 많은 전기차 제조업체가 에너지 저장과 차량 구조 부품을 동시에 수행하는 이른바 구조 배터리를 사용하기 시작했습니다. 이는 전체 차량 무게를 줄여 효율성과 주행 거리를 향상시킬 수 있습니다. Rolls-Royce (RRU.DE ), Tesla, Volvo는 이미 이 아이디어를 연구 중이며, 주행 거리를 16% 증가시킬 수 있습니다.

고체 전해질 배터리

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

이 아이디어는 액체 전해질을 완전히 제거하여 배터리 무게를 크게 줄이고 밀도를 크게 높이는 것입니다. 인화성 전해질을 제거하면 배터리가 훨씬 안전해집니다. 전해질을 제거하면 생산 과정도 단순화되어 제조 라인에서 제조 라인에서 최대 3주까지 단축될 수 있습니다.

마지막으로, 이러한 설계는 3~5분 안에 거의 완전 충전이 가능하다는 약속을 제공하며, 이는 가솔린 차를 주유하는 시간과 비슷합니다.

많은 기업들이 2026~2029년 사이에 자체 고체 전해질 배터리 버전을 출시할 계획이라고 발표하고 있습니다. 여기에는 QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), Samsung SDI (006400.KS)가 포함됩니다. 현재 Tesla (TSLA)는 리튬 이온 기술을 기반으로 한 4680 배터리 셀이라는 고체 전해질 배터리 대안을 개발 중입니다.

고체 전해질 배터리의 문제점

고체 전해질 배터리 개발은 실험실 프로토타입을 대량 생산 제품으로 확장하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 신뢰성 있고 자동화된 저비용 생산이 아직 진행 중이며, 고체 전해질 배터리가 시장에 도입되는 시점은 최선의 경우 2026~2028년 정도로 예상됩니다.

출처: Vertex Holdings

마지막으로, 고체 전해질 배터리는 현재 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 많은 리튬을 사용할 것이며, 이는 2022년에 리튬 가격이 2년 만에 10배 상승한 급등을 다시 초래할 수 있습니다. 재활용도 어려울 수 있습니다.

“압축형” 배터리

아마도 고체 전해질 배터리를 기다릴 필요 없이 매우 고밀도 배터리를 볼 수 있을지도 모릅니다. CATL이 “압축 물질” 배터리 개발을 발표했습니다. 이 회사는 또한 짧은 기간 내에 대량 생산이 가능하다고 주장하는데, 이는 업계 선두 기업이므로 신뢰할 만합니다.

이는 이전에 고체 전해질 배터리만이 달성할 수 있다고 여겨졌던 밀도 수준입니다. 또한 전기 항공기 및 지금까지 전기화가 불가능했던 다른 응용 분야를 고려하기 위해 필요한 수준이기도 합니다.

대체 배터리 화학

배터리를 만들기 위한 리튬 이온의 가능한 대안이 많이 있습니다. 그러나 가벼우면서도 고밀도이며 안전한 특성을 갖춘 배터리 화학은 소수만이 모바일 응용에 적합합니다.

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

리튬-철(페르룸)-인산 배터리 – LFP

LFP 배터리는 에너지 밀도가 낮아, 전통적인 리튬 이온 배터리보다 일반적으로 30~40% 낮아 이동성 응용에서 오랫동안 사용되지 않았습니다. 이 화학의 최신 버전은 이제 구세대 리튬 이온 배터리와 동일한 밀도 수준에 도달하여 저비용 차량에 적합해졌습니다.

LFP의 큰 장점은 전통적인 리튬 이온 배터리 가격을 좌우하는 니켈과 코발트를 전혀 사용하지 않는다는 점입니다. 반면에 철과 인산은 풍부하고 저렴합니다. LFP는 또한 수명이 더 길어 배터리 시스템의 전체 수명 비용을 더욱 낮출 가능성이 높습니다.

LFP의 주요 제조업체는 중국 CATL (300750.SZ)이며, BYD (BYDDF)와 함께 세계 배터리의 절반을 제조하는 위치를 유지하기 위해 다른 옵션도 모색하고 있습니다.

그럼에도 불구하고, 2023년 8월에 700km 주행이 가능한 LFP 배터리가 10분 만에 400km 주행 거리를 충전할 수 있다는 발표 이후 LFP 시장을 무시하지는 않습니다.

나트륨 이온

코발트와 니켈 외에도, 리튬은 리튬 이온에 들어가는 또 다른 주요 비용 자원입니다. 반면에 나트륨은 매우 풍부하고 저렴하며, 리튬처럼 정기적으로 공급 부족에 처할 가능성이 훨씬 적습니다.

중국의 선도 자동차 제조업체인 BYD는 새로운 저가 모델인 Dolphin과 Seagull에 나트륨 이온 배터리를 사용할 의향을 발표했으며, Seagull은 $10,000 정도로 저렴할 수 있습니다(안타깝게도 중국 내에서만).

이는 2021년 CATL이 고밀도 나트륨 이온 배터리를 발표한 뒤 나온 일이며, 2023년 11월 유럽의 Northvolt는 CATL과 동일한 킬로그램당 160와트시 에너지 밀도를 달성하는 나트륨 이온 분야의 돌파구를 발표했습니다.

LFP보다 약간 낮고 리튬 이온보다 훨씬 낮은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 나트륨 이온은 훨씬 저렴한 가격 덕분에 대량 시장을 장악할 수 있으며, 현재 니켈을 사용하는 배터리 가격의 약 1/3 수준이 될 가능성이 있습니다.

기타 화학

각각을 하나씩 살펴보는 것은 너무 길겠지만, 이동성 응용에 사용되는 배터리의 진지한 경쟁자가 될 수 있는 다른 잠재적 화학 물질도 많이 있습니다. 그러나 이러한 기술은 아직 초기 단계에 있어 단기적으로 전기차에 적용되기에는 어려울 것입니다.

유리 배터리

흥미로운 아이디어는 매우 풍부한 재료만을 사용하며, 현재 다른 연구자들이 자체 실험실에서 재현하려 애쓰고 있습니다. 그러나 이 아이디어는 리튬 이온 배터리 발명가인 Goodenough 박사의 지원을 받고 있기 때문에 무시할 수 없습니다(안타깝게도 Goodenough 박사는 2023년 여름에 사망했습니다).

그래핀 배터리

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어진 물질로 매우 전도성이 높습니다. Graphene Manufacturing Group (GMG.V) 회사는 리튬 이온보다 높은 밀도를 가지면서 충전 속도가 70배 빠르고 수명이 3배 긴 그래핀/알루미늄 배터리를 추진하고 있습니다. 이 회사는 2025년 대규모 생산을 시작하기 위해 광산 대기업(흑연 채굴업체) Rio Tinto와 협력 중 (RIO ).

망간 수소 배터리

이 배터리는 리튬 대신 마그네슘을 사용합니다. 이러한 배터리는 “준 고체 상태”라고 묘사되며 -22°C(-7°F)와 같은 낮은 온도에서도 훨씬 잘 작동할 수 있습니다.

리튬-황 배터리

이 배터리는 비용이 많이 드는 코발트와 니켈 대신 리튬과 황을 사용합니다. 아직 초기 단계임에도 불구하고 놀라울 정도로 높은 에너지 밀도를 보여줍니다. 그러나 내구성 문제에 시달리고 있어 기존 화학 물질에 대한 좋은 대안이 되려면 훨씬 더 내구성이 향상되어야 합니다.

출처: Vertex Holdings

나트륨-황 배터리

이 배터리는 현재까지 고온(300°C)에서 유지되는 응용 분야에만 제한되었습니다. 그러나 황 용해를 방지하는 새로운 전해질이 이 요구 사항을 없앨 수 있습니다. 따라서 강력하고 저렴한 배터리를 찾는 새로운 방안이 될 수 있습니다.

알루미늄 이온 배터리

이 기술은 리튬 음극을 알루미늄 음극으로 교체합니다. 흑연 대신 폴리머를 사용함으로써 이 배터리는 높은 저장 용량을 달성할 수 있습니다.

알루미늄-공기

이 “배터리”는 알루미늄을 연료처럼 소비하여 전기차에 연료 차보다 더 높은 주행 거리(탱크당 1,600km)를 제공하며, 리튬 이온보다 훨씬 높은 에너지 밀도(1,350 W/kg)를 가집니다. 이는 전기 비행기의 잠재적인 전력원으로도 활용될 수 있습니다.

소비된 알루미늄은 90초 안에 새로운 알루미늄으로 교체될 수 있으며, 사용된 “연료”는 재활용됩니다. 이 기술은 기존 전기차와 결합하여 주행 거리를 더욱 늘릴 수도 있습니다.

현재 이 기술 개발의 주요 제한 요인은 공공 지원을 받지 못하고 있다는 점이며, 진정한 배터리도, 연료 전지도, 수소 기반도 아니기 때문에 기존 녹색 정책의 지원 대상이 되지 못하고 있습니다.