전기자동차 배터리 형식과 전고체 배터리(2024년 8월 현재)




이번 포스팅에서는 전기자동차의 배터리 형식과 전고체 배터라에 대해 소개하고자 한다.

전기자동차 배터리 형식과 전고체 배터리

 

1.  현재 전기자동차 배터리 형식

현재 시장에서 사용되는 배터리 유형은 사실 한가지 계열이다.

바로 리튬이온 배터리 계열.

리튬이온 배터리 원리

리튬이온 배터리는 현재 모두 액체 전해질을 사용하며, 이는 배터리의 에너지 전달 및 저장 과정에서 중요한 역할을 한다.

          •   액체 전해질 사용 :  리튬이온 배터리는 모두 액체 전해질을 사용한다. 이 액체 전해질은 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있게 하는 매개체로, 배터리의 작동에 필수적이다.

          •   발화 위험성 :  액체 전해질은 높은 전기 전도성을 가지지만, 동시에 화학적으로 매우 불안정할 수 있다. 특히, 배터리가 과열되거나 손상될 경우 전해질이 발화하거나 폭발할 수 있는 위험이 있다. 이는 리튬이라는 원소의 특성에서 비롯되는데, 리튬은 반응성이 높고, 에너지를 많이 저장할 수 있는 장점이 있지만, 충격이나 열에 민감하게 반응해 위험을 초래할 수 있기 때문이다. 이게 현재 전기자동차 배터리의 구조적인 문제인 것이다.

 

 

2.  주요 리튬이온 배터리의 구분 이유

이게 핵심이긴 하지만, 현재 전기자동차에 쓰이는 리튬이온 배터리는 여러 가지 종류로 구분하기도 한다.

전기차 배터리공장

배터리 팩

이런 구분은 배터리에 사용되는 양극 재료와 그에 따른 특성의 차이로 인해 생긴다. 주요 리튬이온 배터리의 유형으로는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NCM), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA), 리튬 철 인산염(LFP)이 있다.

          1)  양극 재료의 차이 :

               •   NCM 배터리는 니켈, 코발트, 망간을 주요 구성 요소로 사용한다. 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 주행거리가 길지만, 코발트의 높은 가격과 자원 채굴의 윤리적 문제가 단점으로 꼽힌다.

               •   NCA 배터리는 니켈, 코발트, 알루미늄을 사용하며, 테슬라 차량에서 주로 사용된다. NCM과 유사한 에너지 밀도를 가지지만, 더 긴 수명을 제공한다.

               •   LFP 배터리는 리튬 철 인산염을 사용하며, 안정성과 긴 수명이 강점이다. 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧을 수 있지만, 발화 위험이 적고 비용이 저렴하다.

          2)  특성의 차이 :

                •   에너지 밀도 :  NCM과 NCA 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 주행거리가 길지만, LFP 배터리는 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가지고 있다.

                •   안정성 :  LFP 배터리는 구조적으로 더 안정적이고 발화 위험이 낮다. 반면, NCM과 NCA 배터리는 더 높은 발화 위험을 가지고 있다.

                •   수명 :  LFP 배터리는 더 긴 수명을 가지고 있어, 충방전 사이클이 많아도 성능 저하가 적다.

                •   비용 :  LFP 배터리는 코발트를 사용하지 않기 때문에, 비용이 낮고 가격 변동성이 적다.

이러한 차이 때문에, 전기차 제조사들은 차량의 특성과 소비자 요구에 맞춰 다양한 리튬이온 배터리를 사용한다. 예를 들어, 고성능 전기차나 장거리 전기차에는 NCM이나 NCA 배터리가 주로 사용되며, 안정성과 비용 효율성을 중시하는 차량에는 LFP 배터리가 채택된다.

전기차 배터리1

따라서 같은 리튬이온 배터리 계열이라도, 각 배터리의 구성 요소와 특성에 따라 구분되는 것이다. 하지만, 근본적으로 리튬이온 배터리 계열이고 액체전해질을 사용한다는 사실에는 변함이 없다.

그래서 개발되고 있는 것이 전고체 배터리인 것이다.

 

 

3.  전고체 배터리의 안전성과 효율성

          •   고체 전해질 사용 :  전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 이 고체 전해질은 전해질 누출과 발화 위험성을 크게 줄일 수 있으며, 이는 배터리의 안전성을 대폭 향상시키는 요인이다.

          •   에너지 밀도 :  고체 전해질을 사용하면 에너지 밀도가 높아진다. 이는 전해질 자체의 특성뿐만 아니라 고체 전해질이 리튬 금속 음극과의 조합으로 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있기 때문이다.

          •   충전 속도와 수명 :  전고체 배터리는 고체 전해질 덕분에 이온 이동이 더 빠르게 이루어져 충전 속도가 빠르고, 고온과 저온에서의 내구성이 좋아 배터리 수명이 연장될 수 있다.

리튬이온과 전고체 비교

 

 

4.  전고체 배터리 상용화의 어려움

전고체 배터리는 그 모든 장점에도 불구하고 상용화에 있어 몇 가지 큰 문제점을 가지고 있다.

          •   제조 공정의 복잡성 :  전고체 배터리를 대량 생산하는 데 필요한 기술과 설비는 기존의 리튬 이온 배터리보다 훨씬 복잡하고, 고도의 정밀도를 요구한다. 특히, 고체 전해질과 리튬 금속 음극 사이의 인터페이스 안정성을 확보하는 데 많은 어려움이 있다.

          •   비용 문제 :  전고체 배터리의 소재와 제조 공정은 아직 비용 효율적이지 않다. 이는 배터리의 상용화와 대중화에 장애물이 되고 있다.

          •   내구성 문제 :  초기 전고체 배터리는 수명과 충방전 효율에 문제가 있었고, 특히 반복적인 충방전 시 전해질과 전극 사이의 접촉면이 손상되어 배터리 성능이 급격히 떨어지는 문제도 발생했다.

 

 

5.  전고체 배타리 개발 현황

          •   토요타 :  2020년대 중반까지 전고체 배터리를 상용화하기 위해 연구 개발을 계속하고 있으며, 일부 시제품은 10분 내에 80% 충전이 가능하도록 설계되었다고 한다.

          •   삼성SDI :  2027년을 목표로 전고체 배터리의 양산을 준비 중이며, 기존의 문제점을 해결하기 위한 다양한 기술적 접근을 시도하고 있다.

          •   BMW :  BMW는 전고체 배터리의 성능과 안전성을 개선하기 위해 글로벌 연구소와 협력하고 있으며, 2025년까지 시제품을 출시할 계획이라고 한다.

전기자동차의 미래는 전고체 배터리와 같은 혁신적인 기술에 달려있다고 할 수 있다. 전고체 배터리는 기존 배터리의 발화 위험성과 효율성 문제를 모두 극복할 수 있는 차세대 기술로, 상용화되면 전기자동차 산업에 혁신적인 변화를 가져올 것이다.

아직은 상용화를 위한 기술적, 경제적 과제가 남아 있으나, 이를 해결하기 위한 연구와 개발이 계속되고 있고 곧 문제가 해결될 것으로 기대되고 있다.

 

 

CF.  RC에 사용되는 배터리

RC에 주로 사용되는 배터리에는 리튬이온(Li-ion), 리튬폴리머(LiPo), 그리고 니켈카드뮴(NiCd) 배터리가 있다.

RC

          1) 리튬이온 배터리 (Li-ion) :  에너지 밀도가 높고, 수명이 길며, 메모리 효과가 거의 없지만, 과충전 및 과열 시 발화 위험이 있다. 현재 대부분의 RC 장르의 배터리로 이용된다.

          2) 리튬폴리머 배터리 (LiPo) :  더 가볍고 다양한 형상으로 제작이 가능하지만, 충전 관리에 신경 써야 하며, 내구성이 약해 충격에 취약하다. 드리프트 자동차 등 일부 장르에 현재 사용되고 있다.

          3) 니켈카드뮴 배터리 (NiCd) :  오래된 기술로, 저렴하고 내구성이 높지만, 메모리 효과로 인해 자주 방전시켜야 하며, 환경에 유해한 카드뮴을 포함하고 있다.

이 배터리들은 RC 자동차에 널리 사용되지만, 실제 전기자동차에는 구동을 위해 필요한 높은 에너지 밀도와 안정성 때문에, 현재 리튬이온 배터리 계열만이 사용되고 있다.

 

 

이 게시물이 얼마나 유용했습니까?

평점을 매겨주세요.

평균 평점: 0 / 5. 투표수: 0

지금까지 투표한 사람이 없습니다. 가장 먼저 게시물을 평가해 보세요.

Leave a Comment

error: 우클릭할 수 없습니다.