전기차의 핵심 배터리
세계적으로 전기차의 수요와 관심은 꾸준히 증가하고 있습니다. 전기차는 내연기관(가솔린, 디젤 등)을 사용하지 않고 전기 모터를 동력으로 구동하는 차량을 말합니다. 전기모터는 내연기관의 엔진의 역할을 담당하고, 배터리는 연료인 가솔린, 디젤 등과 같이 에너지를 공급하는 것으로 크게 나누어 볼 수 있습니다. 전기차의 특징은 배기가스가 전혀 배출되지 않아 대기오염을 줄이는 데 큰 기여를 할 수 있고, 내연기관보다 단순하며, 엔진 오일 교환 등의 유지비용이 들지 않아 저렴합니다. 또한, 내연기관 차량보다 에너지 효율이 높습니다. 즉, 같은 에너지로 더 많은 거리를 주행할 수 있습니다. 내연기관을 활용하지 않고, 전기 모터를 활용하여 가속이 빠르고, 효율적이며, 낮은 회전수에서도 높은 힘을 제공할 수 있어 주행 성능이 우수하고, 조용한 운전을 즐길 수 있는 특징들을 가지고 있습니다. 반면, 배터리의 충전 시간이 별도로 필요하고, 충전할 수 있는 인프라가 부족한 점이 있습니다. 또한, 주행거리 제한이 있어서 내연기관에 비해 상대적으로 짧습니다. 초기 구매 비용이 높은 점과 배터리의 수명으로 인한 장기적인 유지비가 부담으로 작용할 수 있습니다. 전기차를 구매한다고 할 때 많은 장점과 특징들 중에서도 가장 중요한 부분은 바로 배터리입니다. 즉 전기차의 전력을 담당하면서 전기차의 성능과 직결된 부분이기 때문입니다. 또한, 전기차의 성능뿐만 아니라 가격을 좌우하는 핵심 부품입니다. 전기차의 성능 개선을 위해서는 배터리의 개선이 매우 중요한 요소입니다. 그래서 관련 기업들은 기술 개발을 통해 다양한 개선 방법들을 제시하고 있습니다. 각각의 방법들은 배터리의 에너지 밀도, 충전속도, 수명, 안전성 및 비용 효율성에 영향을 줍니다. 이러한 요소들을 종합하여 최적화하기 위한 기술적 접근이 필요한데, 그중 양극재를 통한 개선 방안은 무엇인지 집중적으로 알아보도록 하겠습니다.
양극재란?
배터리의 성능을 최대로 높이기 위한 방법 중 양극재의 선택은 매우 중요합니다. 양극재란? 배터리의 성능, 안정성, 효율성에 중요한 역할을 하는 것으로, 배터리에서 에너지를 저장하고 방출하는 역할을 하며, 배터리의 용량, 출력, 수명, 안정성 등에 직접적인 영향을 미치는 소재입니다. 일반적으로 사용하는 리튬 이온 배터리에서 사용되는 다양한 화합물을 말하는 것입니다. 전기차 배터리 내에서 전자가 이동하는 경로를 제공하는 역할을 주로 합니다. 충전 시에는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동을 하고, 방전 시에는 반대로 양극에서 음극으로 이동하면서 전기를 발생시키게 됩니다. 즉, 배터리의 성능에 결정적인 역할을 하는 핵심 소재입니다. 양극재는 크게 NCM (Nickel Cobalt Manganese), NCA (Nickel Cobalt Aluminum), LFP (Lithium Iron Phosphate)로 나눌 수 있습니다. 전기차 배터리 등에서 주로 사용하는 것으로 각 종류별로 다양한 특징들을 갖고 있습니다. 이를 각각의 주요 특징들에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
NCM (Nickel Cobalt Manganese)
NCM의 경우 주된 화합물이 니켈, 코발트, 망간을 포함하고 있습니다. 고용량, 긴 수명, 안정성을 제공하고, 니켈의 함량을 높이면 에너지 밀도가 증가하고, 코발트와 망간이 안정성을 담당합니다. 최근에는 니켈 비율을 높여서 에너지 밀도를 극대화하려는 추세입니다. 니켈의 함량을 높이면 리튬 이온이 저장할 수 있는 에너지의 양이 증가하여, 주행 거리나 배터리 용량이 늘어나기 때문입니다. 니켈의 함량에 따라 NCM 811(니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10%)와 NCM 523(니켈 50%, 코발트 20%, 망간 30%)을 비교해 볼 때 NCM 811의 에너지 밀도가 더 높다고 할 수 있습니다. 또한, 니켈의 함량을 높이면 상대적으로 코발트와 망간의 함량을 줄일 수 있어서, 배터리 제조 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 코발트의 가격이 비싼 면이 있어서 전체적인 가격을 낮추기 위해 니켈의 함량을 늘리는데 한몫을 하고 있기도 합니다. 반면, 높아진 니켈의 특성상 높은 온도에서 화학적 반응성이 강해질 수 있으며, 배터리의 과열로 인한 화재의 위험을 증가시킬 수 있습니다. 고속 충전을 할 때와 고속 주행 시 배터리에 과도한 열이 발생할 수 있어 안정성에 취약한 면이 문제가 될 수 있습니다. 니켈이 고속 충전 시 전자의 흐름 혹은 이온의 이동을 어렵게 만들어, 효율이 떨어지면서 열이 발생하기 때문입니다.
NCA (Nickel Cobalt Aluminum)
NCA의 경우 주된 화합물은 니켈, 코발트, 알루미늄을 포함하고 있습니다. NCM보다 높은 에너지 밀도와 출력 성능을 제공하고, 알루미늄이 포함되어 안정성이 개선되었고, 고출력 배터리에서 유리한 성질을 보이는 특징이 있습니다. 앞선 NCM과 비슷한 면을 동시에 갖고 있으나 몇 가지 차이점을 갖고 있습니다. 가장 큰 특징은 고속 충전 성능이 뛰어나기 때문에 전기차의 충전 시간을 단축할 수 있습니다. 충전 효율이 좋아서 충방전 사이클에서 좋은 성능을 보이고, 긴 수명을 제공합니다. 또한, 같은 크기와 무게 대비 더 긴 주행 거리를 제공하는 것도 특징입니다. 무엇보다 니켈의 함량을 높여서 에너지 밀도를 높이다 보니 안정성에 취약한 부분을 알루미늄이 보완하여 열적 안정성을 향상하는 중요 소재로 사용되면서, 고온에서도 과열되거나 위험 한 상황을 피할 수 있는 역할을 합니다. 반면, 알루미늄의 장점이 있음에도 불구하고, 과도한 고속 충전 시 발생하는 열 문제는 아직 개선이 필요한 부분입니다. 이를 보완하기 위해 액체 냉각 시스템이나 공기 냉각 시스템을 활요하는 기술들의 적용도 중요한 부분입니다. 또한, 니켈 함량을 높여서 에너지 밀도를 높이고, 긴 수명을 얻을 수 있지만, 지나치게 높을 경우 오히려 배터리의 수명을 떨어뜨릴 수가 있어서 수명이 단축될 수 있습니다. 마지막으로, 생산 및 개발이 까다로운 측면이 있어서, 대량 생산을 위한 제조 공정의 효율성을 향상도 필요합니다.
LFP (Lithium Iron Phosphate)
LFP의 경우 주된 화합물이 리튬, 철, 인을 포함하고 있습니다. 다른 양극재에 비해 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 갖고 있어서, 고온에서의 안정성과 긴 수명이 특징입니다. 주로 저가형 전기차나 대형 에너지 저장 시스템, 전동공구 등에 주로 사용되고 있습니다. 무엇보다 가장 중요한 특징은 NCM, NCA와 비교해 고온에서도 열적 안정성이 뛰어나 화재나 폭발의 위험이 적습니다. 이는 리튬, 철, 인산염이 안정된 화학 구조를 가지고 있기 때문입니다. 과충전 되거나 과방전, 과열 상황에도 안전하고, 충격이나 외부 손상에도 내구성이 확보되어 강합니다. 또한, 충전 사이클이 길어 약 3,000~5,000회 이상의 충방전 시에도 유리합니다. 긴 수명은 장기적으로 비용 절감의 측면의 이점으로 작용합니다. 그리고 원자재 가격이 저렴하고, 비교적 쉽게 얻을 수 있어, 제조 비용의 절감을 갖고 있습니다. 최근의 환경적 문제까지 시야를 넓혀 보면 코발트나 니켈을 사용하지 않아 자원고갈 문제와 윤리적인 문제 그리고 환경을 훼손하지 않아도 되는 부분들이 유용하게 작용합니다. 반면, 낮은 전압과 낮은 에너지 밀도로 인해 용량과 주행거리에서 NCM, NCA 보다 상당히 떨어지는 점이 있습니다. 따라서, 고출력 시스템을 필요로 하는 성능에는 한계가 있습니다.
개선 방안
양극재 개선 방안은 배터리 성능 향상에 있어서 매우 중요한 요소입니다. 에너지 밀도를 증가시키고, 수명을 늘리며, 안전성을 높이기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있으며, 고니켈배터리, 전고체 배터리, 복합재료를 활용한 최신 기술들이 주로 다루어지고 있습니다. 이 방법들은 전기차뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(ESS) 등에서 큰 변화를 가져올 것으로 기대합니다. 그중에서 가장 많은 연구가 전 고체 배터리 분야의 개발이 눈에 띄는 부분입니다. 액체로 된 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 것으로 안정성이 높아지고, 더 높은 전압과 온도 범위에서 작동할 수 있는 이점으로 양극재의 성능을 극대화할 수 있습니다. 무엇보다 고온과 고열로 인한 화재나 폭발 사고에 대비하여 안전성 측면에서 매우 유리하며, 충전 속도 성능을 향상할 수 있고, 수명이 길기 때문입니다. 배터리 일류 기업들이 앞다투어 기술 개발과 연구를 통해 발전을 거듭하고 있는 주요 핵심 시장으로 성장 가능성이 높습니다. 이미 전고체 배터리는 미래의 배터리 기술로써, 에너지 밀도, 안전성, 수명, 충전 속도 면에서 큰 장점을 가지고 있어서, 주요 기업들은 상용화 목표를 2025년~2030년 사이로 보고 치열하게 경쟁을 하고 있습니다. 그중에서도 퀀텀스케이프, 솔리드 파워, 도요타, 파나소닉 등은 이미 상용화에 한 걸음 더 바짝 다가간 업체들로서 파일럿 생산을 통해 소규모 생산에 돌입했거나, 대규모 생산을 위한 상용화 계획을 실현하고자 노력하고 있습니다.