환경 보호의 중요성이 커져가면서 자연스럽게 친환경 자동차에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 영국과 독일을 비롯한 주요 유럽 연합은 2030년 이후 자동차 시장에서 내연기관을 퇴출하겠다고 발표했으며, 많은 자동차 회사들이 친환경 전기차를 생산하기 위해 앞다투어 경쟁하고 있습니다.
때문에 전기차 시장은 현재 매우 핫한 이슈입니다. 지난 9월 22일 많은 사람들이 관심 속에서 테슬라의 배터리 데이가 진행되었죠. 행사는 추첨을 통해 선발된 240여 명의 주주들이 드라이브인 방식으로 현장에 참여하였으며 스트리밍을 통해 약 27만 명의 시청자가 행사를 시청하였습니다.
배터리 데이에서 발표한 주요 핵심 내용은 크게 두 가지로 볼 수 있습니다.
1. 자동차 배터리 가격 56% 절감 - 새로운 원통형 배터리 셀 '4680' 공개(기존 대비 용량의 5배, 파워 6배, 주행거리 16% 증가)
2. 25,000 달러 전기차 생산 예정 - 3년 내로 25,000 달러 (약 3000만 원)
전기차에 관한 뉴스를 볼 때면 전기차 배터리에 대한 언급이 빠지지 않고 등장합니다. 일반 내연기관 차량에서는 엔진이 가장 중요한 부품이라고 말할 수 있지만 전기차에서는 모터와 더불어 배터리가 가장 중요한 부품 중 하나이기 때문입니다. 테슬라를 비롯하여 모든 전기차 시장에서 주목하는 배터리. 배터리는 전체 전기 자동차 값의 40% 이상을 차지하기 때문에 전기 자동차 상용화를 향한 성공 열쇠이며 또한 전기 자동차의 속도와 운행거리를 결정하는 핵심 요소입니다. 오늘은 전기차에 사용되는 배터리에 대해 간단하게 알아보려 합니다.
전기차 배터리는 셀(Cell) -> 모듈(Module) -> 팩(Pack) 으로 구성됩니다.
전기차 관련 뉴스를 보다보면 배터리를 뜻하는 다양한 용어가 있어 이해가 어려울 때가 있습니다. 어떨 때는 '배터리 셀'이라고 부르고 또 어떨 때는 '배터리 모듈' 혹은 '배터리 팩'이라고 부르죠.
전기차 가동을 위해서는 엄청난 양의 전력이 필요하기 때문에 배터리 셀(Cell)이 수십 개에서 수천 개가 필요하게 됩니다. 수많은 배터리 셀(Cell)을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 모듈(Module)과 팩(Pack)이라는 형태를 거치게 됩니다. 배터리 셀을 여러 개 묶어 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어 팩을 만드는 것이라고 생각하면 됩니다. 최종적으로 전기차에는 배터리가 하나의 팩의 형태로 들어갑니다.
전기차를 구매할 때 가장 큰 고려 요인은 바로 '주행가능 거리'이죠. 주행가능 거리를 늘리기 위해 배터리 기업들은 같은 부피에 더 많은 에너지를 넣을 수 있도록 '고 에너지 밀도' 배터리 셀을 개발하는데 박차를 가하고 있습니다. 앞서 배터리 데이에서 테슬라가 언급한 새로운 원통형 배터리 셀 '4680' 은 바로 테슬라가 새로운 배터리 셀을 개발했다는 의미입니다. 기존의 모델3나 모델S에 들어가는 배터리 셀은 '2170' 즉, 지름이 21mm 높이가 70mm인 배터리였습니다. 이번에 발표한 '4680'은 배터리 셀 하나 당 지름이 46mm 높이가 80mm로 더 커져서 결과적으로 '2170' 배터리 셀을 사용했을 때보다 용량 5배, 파워 6배, 주행거리 16% 증가 효과를 가져 온 것입니다.
우리가 흔히 생각하는 배터리는 1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있는데, 1차 전지는 일상생활에서 많이 쓰이는 건전지 같은 1회용 배터리를 말하며 2차 전지는 충전이 가능한 전지를 의미합니다. 2차 전지의 종류는 납축전지, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등 매우 다양합니다.
2차 전지는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질의 4가지 구성 부분으로 나뉩니다. 산화·환원 반응을 통해 음극재에서 전자가 양극재로 이동하는 데, 둘 사이에 분리막을 끼우고 전해질을 채워넣은 구조입니다. NCA, NCM, LFP 등은 양극에 어떤 금속 소재를 사용하느냐를 놓고 붙여진 이름으로, 현재 우리나라의 LG화학, SK이노베이션, 삼성SDI 등이 생산하는 양극재 NCM은 니켈-코발트-망간의 앞 글자를 딴 것입니다.
현재 배터리 시장에서는 양극재의 소재 경쟁이 치열합니다. 특히 양극재 소재에서 코발트 사용을 줄이고, 니켈 비중을 높인 이른바 ‘하이니켈’ 양극재의 상용화를 놓고 2차 전지 회사들의 경쟁이 치열합니다. 코발트는 양극재의 10~20%를 차지하는데 다른 양극재 소재보다 가격이 비싸기 때문입니다. 또한 코발트 농도를 줄일수록 니켈 비중을 높여 에너지 밀도를 높일 수 있는데 이를 통해 코발트 사용을 줄일수록 배터리 가격 하락과 주행거리 증대 두 마리 토끼를 잡을 수 있다고 합니다.
더 저렴하고 더 오래가는 배터리에 대한 연구뿐만 아니라 자동차와 전력망을 연결하는 기술(V2G, Vehicle to Grid)에 대해서도 연구가 진행되고 있습니다. V2G 기술은 전기차를 운행하지 않을 때에는 자동차 자체를 거대한 보조배터리로 사용하면 어떨까 하는 발상에서 시작되었습니다. 양방향 전기차 배터리(OBC)를 통해 자동차가 전력망과 연결된다면, 즉 예를 들어 자동차와 자동차, 자동차와 교통 인프라, 자동차와 보행자가 연결된다면 더욱 더 안전한 자율주행이 가능해집니다.
자동차가 함께 주행 중인 주변의 차량과 연결되면 서로의 위험 상황을 알려줄 수 있으며, 도로 인프라와 연결되면 교차로 신호 정보 및 공사 구간 등의 정보를 주고 받을 수 있습니다. 더 나아가 자동차가 보행자와 연결되는 경우에 길을 건너는 보행자가 이어폰으로 노래를 듣고 있다면, 보행자에게 자동차의 접근 사실을 경고음으로 알려줄 수도 있습니다.
이번 전기차 배터리 조사를 통해 무궁무진한 전기차의 가능성을 예상해 볼 수 있었습니다. 앞으로 더욱 더 커질 전기차 시장에 대해 주의 깊게 관심을 가질 필요가 있을 것 같습니다!
출처
안상현 기자, <머스크 "한달내 완전 자율주행차, 3년내 2000만원대 전기차">, https://www.chosun.com/economy/auto/2020/09/23/XBZ4XDJMUNAAXNUHGG74V36N3M/
삼성 테크놀로지, https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/54229.html
조귀동, 변지희 기자, <[전기차시대] ③ ‘엔진’ 역할 하는 배터리 경쟁, 핵심 목표는 ‘더 싸게’>, https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/13/2020081300715.html
에너지정보문화재단, <[스토리] 달리는 보조배터리 -전기차와 연결된 세상! 또 한번 세상을 바꾼다>, https://m.blog.naver.com/energyinfoplaza/222098409622
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