전기차 배터리 알아보기 (feat. 리튬이온, 전고체 배터리)

출처 : LG화학 공식 홈페이지 - 회사소개자료.

1. 개요

본격적으로 전기차의 시대가 펼쳐지려고 하는 변화의 시대에 살고 있다.

지금까지는 리튬-이온 배터리를 주축으로 하는 전기차가 대세를 이루어왔다. 며칠전 애플의 전기차 출시와 관련한 뉴스가 로이터 통신에서 보도가 되었고 나는 리튬인산철 배터리에 대한 관심이 생기게 되었다.

그 뉴스가 보도되기 전까지는 전고체 배터리가 전기차의 차세대 배터리가 될 것이라는 의견이 많았었다.배터리의 종류가 많기는 하지만 최근 가장 많이 언급되고 있는 배터리에 대해서 조금 알아보고자 한다.

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2. 알아보기 (출처 : 위키백과)

리튬 이온 배터리

리튬 이온 배터리는 이차 전지의 일종으로 충전과 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.

리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다.

이 외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다.

그러나 일반적인 리튬 이온 전지는 잘못 사용하게 되면 폭발할 우려가 있다.

리튬 이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 이에 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 

상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연이다. 

양극에는 층상의 리튬코발트산화물과 같은 산화물, 인산철리튬과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰이며, 초기에는 이황화티탄도 쓰였다.

음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있다.  최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있다.

출처 : 삼성SDI 홈페이지 - BUSINESS - 자동차배터리.

 

리튬 인산 철 배터리 (코발트가 들어간 리튬 이온 배터리와 비교)

- 장점

공급이 제한적이고 가격이 비싼 니켈이나 코발트가 포함되어 있지 않다.

다른 리튬 이온 접근법보다 더 긴 수명을 제공한다. (1년 후 리튬 인산철 배터리는 일반적으로 리튬 코발트 배터리와 에너지 밀도가 거의 같다. )

다른 리튬 이온 배터리와 달리 니켈 기반 충전식 배터리와 유사하다.

매우 일정한 방전 전압을 가진다. 셀은 방전 될 때까지 사실상 최대 전력을 전달할 수 있으며 전압 조정 회로의 필요성을 크게 단순화하거나 제거 할 수 있다.

인산염을 사용하면 코발트의 비용과 환경 문제, 특히 부적절한 폐기를 통해 환경에 유입되는 코발트에 대한 우려를 피할 수 있다.

고전류 LFP 셀(같은 용량의 납축 또는 리튬 코발트 산화물 배터리 보다 방전 속도가 더 빠르다.)을 사용할 수 있다.

리튬 코발트 산화물 배터리 보다 높은 전류 또는 피크 전력 등급을 가진다.

열적, 화학적으로 코발트가 들어간 리튬이온 배터리보다 안정하다. 

- 단점

에너지 밀도(에너지 / 부피)는 새로운 리튬 코발트 산화물 배터리 대비 약 14 % 낮다.

 

전고체 배터리

전고체 전지는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리이다.

전세계 전기차용 전고체 전지 시장이 2030년 최대 100조원 규모로 급성장할 것으로 관측되고 있다.

충전하는데 몇 시간씩 걸리는 리튬 이온 전지에 비해 전고체 전지는 불과 5분이면 80% 충전이 가능하다. 

주행거리도 리튬이온전지의 2배 이상에 달한다. (기존의 가솔린, 경유 차량의 주유소 급유시간이 5분이다.) 

리튬 이온 전지에 비해 가격이 1/3이다.

기존 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 255Wh/㎏ 수준이다. 반면 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/㎏까지 에너지 밀도가 올라간다. (에너지 밀도가 더 높아지면 2차전지를 더 작게 만들 수 있다.) 

일본의 파나소닉은 도요타와 지난 4월 배터리 합작사를 세웠다. 파나소닉-도요타 연합은 꿈의 배터리라 불리는 '전고체 배터리' 기술을 선도하는 업체다. 전 세계에서 전고체 배터리 관련 특허를 40%가량 보유하고 있다.

기술력이 가장 앞서 있다고 평가받는 일본 도요타는 대규모 민관 컨소시엄을 구성해 총 17조원을 투자, 오는 2022년에 생산할 계획이다.

• 납축전지 : 충전시간 8시간
• 리튬 이온 전지 : 납축전지의 2배 용량, 충전시간 30분 [1991년 소니 개발]
• 전고체 전지 : 리튬 이온 전지의 2배 용량, 충전시간 5분 [2021년 도요타 개발 (예상)]
• 리튬황 전지 : 전고체 전지의 2배 용량  [2030년 상용화 (예상)]

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3. 나의 생각

리튬 이온 배터리에서 양극재로써 니켈과 카드뮴의 사용이 점차 줄어드는 방향으로 갈 것 같다.

테슬라는 올해 중국 정부로부터 리튬인산철 각형 배터리를 적용한 모델3의 생산 인가를 받았다. 이로 인해 기존 가격대비 500~1000만원 정도 저렴해질 것으로 예상된다고 한다.

리튬 이온 배터리 이후에는 전고체 배터리가 대세가 되지 않을까 싶다. 지금 당장은 일본 자동차 업체들에서 뛰어난 전기차가 출시되지 않고 있어서 사실 일본 자동차 업체들이 조금 뒤쳐진 것이 아닌가 생각을 했는데, 전고체 배터리를 알아보다보니 꼭 그런것이 아닌 것 같다는 생각이 들었다.

 

이제 전기차 시대는 피할수 없는 큰 흐름이 되어버린 것 같다.

아직까지 나는 내연기관 자동차의 감성 모든 것이 좋긴 하지만, 한 편으로는 새롭게 발전할 전기차들이 얼마나 좋아질지 기대가 된다.