전기차 배터리 종류와 안전, 엔진차량에서 하이브리드 차량. 그리고 전기차가 대중화될 미래!!!

전기차용 배터리 간략 소개

현재 대부분의 전기차에 사용되는 배터리는 주로 리튬 이온 배터리(Lithium-ion battery)이며, 이 배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 제공하여 전기차에 적합한 선택입니다. 리튬 이온 배터리의 종류와 그에 사용되는 원료 물질에 대해 정리해보면 다음과 같습니다:

1. 리튬 이온 배터리(Lithium-ion Battery) 종류

리튬 이온 배터리는 양극 소재에 따라 몇 가지 유형으로 나눌 수 있습니다:

1. 니켈-코발트-망간(NCM) 배터리
   • 원료 물질: 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 리튬(Li)
   • 특징: 니켈 비율이 높을수록 에너지 밀도가 높아지지만, 안정성은 낮아질 수 있습니다. 망간이 들어가면서 배터리의 안정성이 개선됩니다.
   • 사용처: 주로 높은 에너지 밀도와 비교적 긴 주행 거리를 제공하는 전기차에 사용됩니다.
2. 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 배터리
   • 원료 물질: 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 리튬(Li)
   • 특징: 에너지 밀도가 매우 높고 수명이 길지만, 안정성에서 다소 취약한 면이 있습니다.
   • 사용처: 주로 테슬라와 같은 전기차 제조사에서 선호하는 배터리 유형입니다.
3. 리튬 인산철(LFP) 배터리
   • 원료 물질: 리튬(Li), 철(Fe), 인(P)
   • 특징: 에너지 밀도는 상대적으로 낮지만, 열 안정성과 안전성이 매우 뛰어나며 수명이 깁니다.
   • 사용처: 중저가형 전기차나 전기 버스와 같은 상업용 차량에 널리 사용됩니다.
4. 리튬 망간 산화물(LMO) 배터리
   • 원료 물질: 리튬(Li), 망간(Mn)
   • 특징: 높은 출력과 열 안정성을 제공하지만, 에너지 밀도와 수명은 상대적으로 낮습니다.
   • 사용처: 전기차보다는 주로 전동 공구나 전기 자전거 등에 사용됩니다.

2. 리튬 이온 배터리의 주요 원료 물질

리튬 이온 배터리에 주로 사용되는 원료 물질은 다음과 같습니다:

• 리튬(Lithium, Li): 배터리의 에너지 저장 능력을 결정짓는 중요한 요소입니다.
• 니켈(Nickel, Ni): 에너지 밀도를 높여 더 긴 주행 거리를 가능하게 합니다.
• 코발트(Cobalt, Co): 배터리의 안정성과 수명을 향상시킵니다. 하지만 비용이 비싸고, 공급망 문제가 존재합니다.
• 망간(Manganese, Mn): 열 안정성을 개선하여 배터리의 안전성을 높여줍니다.
• 알루미늄(Aluminum, Al): 양극의 구조적 안정성을 높이는 데 사용됩니다.
• 철(Iron, Fe): LFP 배터리에 사용되며, 저렴하고 안정적인 물질입니다.

리튬 이온 배터리의 발전은 전기차 성능에 중요한 역할을 하고 있으며, 각 소재의 조합에 따라 배터리의 성능, 수명, 안전성이 달라집니다.

 

리튬이온 배터리의 안전성과 관련해서 화재나 폭발 방지를 위해서 적용되고 있는 기술은?

리튬 이온 배터리의 안전성을 높이고 화재나 폭발을 방지하기 위해 다양한 기술과 설계가 적용되고 있습니다. 여기에는 배터리의 화학적 안정성, 구조적 안전성, 열 관리 시스템, 그리고 소프트웨어 기반의 관리 기술이 포함됩니다. 주요 기술은 다음과 같습니다:

1. 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)

• 기능: BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도, 충전 상태 등을 모니터링하고 제어하여 배터리가 안전한 상태에서 작동하도록 합니다.
• 과충전 및 과방전 방지: BMS는 배터리 셀이 과충전되거나 과방전되지 않도록 조절하여 화재나 폭발의 위험을 줄입니다.
• 온도 제어: 특정 셀이나 모듈이 과열되면 BMS가 이를 감지하고 보호 메커니즘을 작동시킵니다.

2. 열 관리 시스템

• 액티브 쿨링(Active Cooling): 배터리 팩에 냉각 시스템(예: 액체 냉각)을 적용하여 배터리 셀이 과열되지 않도록 합니다.
• 패시브 쿨링(Passive Cooling): 방열판, 열 전도성 소재 등을 사용하여 자연스럽게 열을 발산하도록 합니다.
• 히트 싱크(Heat Sink): 열을 빠르게 방출하도록 설계된 장치로, 배터리 내부의 열을 분산시켜 배터리 셀이 과열되지 않도록 합니다.

3. 고체 전해질 사용(Solid-State Electrolytes)

• 기존의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 고체 배터리는 화재와 폭발의 위험을 크게 줄일 수 있습니다.
• 고체 전해질은 불연성 물질로 구성되어 있어 높은 열 안정성을 가지며, 셀 내부 단락이 발생할 가능성이 적습니다.

4. 세퍼레이터(Separator) 강화

• 세라믹 코팅 세퍼레이터: 세퍼레이터에 세라믹 코팅을 적용하여 열 안정성을 높이고, 셀 내부 단락의 가능성을 줄입니다.
• 고온 안정성: 고온에서도 견딜 수 있는 세퍼레이터는 배터리의 열 폭주(Thermal Runaway)를 막아주어 화재를 예방합니다.

5. 과충전 및 과방전 보호 기술

• 배터리의 과충전 또는 과방전은 화재의 주요 원인이 될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 보호 회로가 사용되어 충전 상태를 정확히 모니터링하고, 특정 한계를 넘지 않도록 합니다.

6. 파우치 셀과 하드 케이스 셀 설계

• 파우치 셀(Pouch Cell): 유연한 구조로 인해 충격을 흡수하는 능력이 뛰어나지만, 외부 손상에 더 민감할 수 있습니다.
• 하드 케이스 셀: 더 강력한 보호 구조로 되어 있어 외부 충격에 대한 방어력이 뛰어납니다.

7. 화학적 조성 변경

• 코발트 함량 감소: 니켈-코발트-망간(NCM) 또는 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 배터리에서 코발트의 함량을 줄이면 열 안정성이 증가합니다.
• LFP 배터리 사용: 리튬 인산철(LFP) 배터리는 높은 안전성과 열 안정성을 가지며, 화재 위험이 다른 유형보다 낮습니다.

8. 전기차의 충돌 방지 설계

• 배터리 팩의 외부 케이스와 차량 구조를 강화하여 충돌 시 배터리 셀에 가해지는 물리적 충격을 최소화합니다.
• 차량의 충돌 시 에너지를 흡수하는 구조물을 통해 배터리 손상을 방지합니다.

이러한 기술들은 전기차의 배터리 안전성을 높이는 데 중요한 역할을 하고 있으며, 지속적인 연구와 개발을 통해 점점 더 안전한 배터리 기술이 도입되고 있습니다.

 

 

액체 전해질이 아닌 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 기술 개발 현황과 관련 기업 - 간략 소개 

1. 토요타(Toyota): 토요타는 전고체 배터리 개발에 적극적으로 나서고 있으며, 2027년경에 첫 전고체 배터리 전기차(EV)를 출시하고, 2030년까지 대량 생산을 목표로 하고 있습니다. 이 배터리는 최대 750마일(약 1,200km)의 주행 거리와 10분 만에 완전 충전할 수 있는 빠른 충전 기능을 제공할 것으로 예상됩니다. 토요타는 일본의 정유 회사인 이데미쓰 코산(Idemitsu Kosan)과 협력하여 전고체 배터리의 개발 및 제조를 가속화하고 있습니다​().
2. 퀀텀스케이프(QuantumScape): 퀀텀스케이프는 전고체 배터리 분야에서 선도적인 기업 중 하나로, 최근 알파-2(Alpha-2) 전고체 프로토타입 셀을 자동차 제조사에 제공하여 테스트를 진행 중입니다. 이 회사는 2025년까지 대량 생산을 시작하는 것을 목표로 기술 개발을 지속할 예정입니다. 퀀텀스케이프의 기술은 세라믹 분리막을 사용하여 배터리 성능과 에너지 밀도를 향상시키는 데 중점을 두고 있습니다​().
3. 삼성 SDI: 삼성 SDI는 전고체 배터리 기술에서 중요한 진전을 이루고 있으며, 2027년 대량 생산을 목표로 하고 있습니다. 회사는 이미 고객들에게 샘플을 제공하였고 긍정적인 피드백을 받은 상황입니다. 삼성 SDI의 전고체 배터리는 900 Wh/L의 에너지 밀도를 달성할 것으로 예상되며, 현재의 리튬이온 배터리보다 향상된 주행 거리와 안전성을 제공할 것으로 기대되고 있습니다​.

이와 같이 전고체 배터리는 아직 상용화 단계에는 이르지 않았지만, 2025년에서 2030년 사이에 대규모 생산이 시작될 것으로 예상됩니다. 이러한 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 향상된 안전성, 에너지 밀도, 빠른 충전 속도를 제공할 것으로 기대됩니다.

 

전고체 배터리란?

전고체 배터리(All-Solid-State Battery)는 기존의 리튬이온 배터리에서 사용하는 액체 전해질 대신, 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리 기술입니다. 이 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 형태로 되어 있어, 여러 가지 장점이 있으며 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있습니다.

전고체 배터리의 특징

1. 구조: 전고체 배터리는 양극, 음극, 그리고 전해질 모두 고체 상태로 구성됩니다. 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리와 달리, 고체 전해질은 리튬 이온의 이동을 도와주면서도 안전성을 높이는 역할을 합니다.
2. 안전성: 전고체 배터리는 불연성 고체 전해질을 사용하기 때문에, 열 폭주(Thermal Runaway)로 인한 화재나 폭발의 위험이 크게 줄어듭니다. 이는 전기차와 같은 대용량 배터리가 필요한 애플리케이션에서 매우 중요한 요소입니다.
3. 에너지 밀도: 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 고체 전해질은 더 높은 전압을 지원할 수 있으며, 이를 통해 배터리의 크기를 줄이면서도 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
4. 긴 수명: 고체 전해질은 충전 및 방전 과정에서 덴드라이트(dendrite) 형성을 억제하여, 배터리의 수명을 연장하는 데 도움을 줍니다. 덴드라이트는 리튬 금속을 사용할 때 발생하는 금속 침전물로, 배터리 내부의 단락을 일으켜 성능 저하 및 안전 문제를 야기할 수 있습니다.

전고체 배터리의 장점

• 높은 안전성: 고체 전해질은 화재 및 폭발 위험이 낮아 더 안전합니다.
• 향상된 에너지 밀도: 더 많은 에너지를 작은 부피에 저장할 수 있습니다.
• 빠른 충전 속도: 고체 전해질의 특성 덕분에 더 빠른 충전이 가능합니다.
• 긴 수명: 덴드라이트 형성을 억제하여 배터리의 내구성을 높입니다.

전고체 배터리의 단점

• 고  비  용: 현재 고체 전해질 및 전고체 배터리 생산 기술은 높은 제조 비용을 초래합니다.
• 기술적 어려움: 고체 전해질과 전극 사이의 접촉 문제와 낮은 이온 전도도 등 기술적 난제를 해결해야 합니다.
• 대량 생산 어려움: 상용화를 위해 대규모 생산 체계를 구축하는 데 시간이 필요합니다.

 

고체 전해질 종류

전고체 배터리에 사용되는 전해질은 고체 상태로 되어 있으며, 몇 가지 주요 유형이 있습니다. 각 전해질은 이온 전도도, 안정성, 제조 공정 등에 따라 장단점이 있습니다. 대표적인 전고체 배터리 전해질 종류는 다음과 같습니다:

1. 황화물계 전해질 (Sulfide Electrolytes) - 

• 특징: 황화물계 전해질은 높은 이온 전도도를 가지고 있어 배터리 성능을 극대화하는 데 유리합니다. 또한, 전극과의 접촉 저항이 낮아 전기화학적 반응이 효율적으로 이루어질 수 있습니다.
• 장점: 높은 이온 전도도와 우수한 접촉 특성 덕분에 고출력 배터리로 사용하기 적합합니다.
• 단점: 수분과 반응하면 황화수소(H₂S) 가스를 생성할 수 있어, 취급과 보관에 주의가 필요합니다.
• 2024-09-30 뉴스 참조 - ☞이수스페셜티케미컬 - 세계 최초 연속식 황화리튬 (Li2S) 제조 설비 데모플랜트 증설 완료 

2. 산화물계 전해질 (Oxide Electrolytes)

• 특징: 산화물계 전해질은 화학적으로 안정하고 물리적 강도가 높은 것이 특징입니다. 대표적인 예로는 리튬 이트리아 조합 산화물(Li7La3Zr2O12) 등이 있습니다.
• 장점: 안정성이 뛰어나고, 덴드라이트 형성을 억제하는 데 유리합니다.
• 단점: 이온 전도도가 비교적 낮아, 고성능 배터리로 사용하는 데 제한이 있을 수 있습니다. 또한, 전극과의 계면 저항이 높아질 가능성이 있습니다.

3. 고분자계 전해질 (Polymer Electrolytes)

• 특징: 고분자계 전해질은 유연성과 가공성이 뛰어나며, 제조 공정이 비교적 간단합니다. 주로 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 기반의 고분자가 사용됩니다.
• 장점: 얇고 유연한 전해질층을 형성할 수 있어 소형 전자 기기에 적합합니다.
• 단점: 일반적으로 이온 전도도가 낮고, 상온에서의 성능이 제한적입니다.

4. 인산염계 전해질 (Phosphate Electrolytes)

• 특징: 인산염계 전해질은 화학적 안정성이 높고, 비교적 낮은 제조 비용을 갖추고 있습니다.
• 장점: 전기화학적 안정성과 내구성이 뛰어나며, 장기적인 사용에 적합합니다.
• 단점: 이온 전도도가 다른 전해질에 비해 낮아 고성능 애플리케이션에 사용하기 어려울 수 있습니다.

각 전해질의 특성과 응용 가능성은 개발 중인 전고체 배터리의 용도에 따라 달라지며, 현재 연구자들은 이들 전해질의 성능을 극대화하기 위해 다양한 방식으로 개선 작업을 진행하고 있습니다.

활용 분야

전고체 배터리는 주로 전기차, 에너지 저장 장치, 그리고 전자 기기와 같은 다양한 분야에서 사용될 가능성이 큽니다. 특히 전기차의 경우, 안전성과 주행 거리를 동시에 향상시킬 수 있어 주요 자동차 제조사들이 전고체 배터리 개발에 많은 투자를 하고 있습니다.

전고체 배터리는 리튬이온 배터리의 한계를 극복할 수 있는 차세대 배터리로, 향후 에너지 저장 기술의 핵심이 될 것으로 기대되고 있습니다.

 

전기차 시대로 가기 전 단계? 하이브리드 차량의 장점과 단점은?

하이브리드 차량은 내연기관과 전기모터를 함께 사용하는 자동차로, 전기차와 내연기관 차량의 장점을 결합한 기술입니다. 다음은 하이브리드 차량의 장점과 단점입니다:

장점

1. 연비 효율성: 하이브리드 차량은 전기모터를 사용하여 연료 소비를 줄일 수 있어, 일반적인 내연기관 차량보다 더 높은 연비를 자랑합니다. 이는 특히 저속 주행이나 도심 운전 시 두드러지게 나타납니다.
2. 환경 친화적: 하이브리드 차량은 배출가스가 적어 환경에 미치는 영향이 덜합니다. 전기모터가 주행의 일부를 담당하므로 탄소 배출량이 감소하고, 이는 대기 오염을 줄이는 데 기여합니다.
3. 회생제동 시스템: 하이브리드 차량은 제동 시 발생하는 에너지를 회수하여 배터리를 충전하는 회생제동 시스템을 사용합니다. 이를 통해 에너지 효율을 더욱 높일 수 있습니다.
4. 긴 주행 거리: 하이브리드 차량은 내연기관과 전기모터를 함께 사용하므로, 일반 전기차에 비해 주행 거리가 길고 주유소에서 간편하게 연료를 충전할 수 있습니다.
5. 인프라 요구 사항 낮음: 하이브리드 차량은 전기차 충전소가 없는 지역에서도 운행할 수 있으며, 충전 걱정 없이 주유만으로 운행이 가능합니다.

단점

1. 높은 초기 비용: 하이브리드 차량은 일반 내연기관 차량보다 초기 구매 비용이 높습니다. 이는 전기모터와 배터리 등 첨단 기술이 포함되기 때문입니다.
2. 복잡한 기술: 하이브리드 시스템은 두 가지 동력원을 통합하여 작동하므로, 설계와 유지 보수가 복잡할 수 있습니다. 이는 수리 비용이 일반 차량보다 더 높아질 수 있는 요인입니다.
3. 배터리 수명 및 교체 비용: 하이브리드 차량의 배터리는 시간이 지나면서 성능이 저하될 수 있으며, 배터리 교체 비용이 상당히 높을 수 있습니다.
4. 제한된 전기 주행 거리: 일부 하이브리드 차량은 전기모터만으로 주행할 수 있는 거리가 제한적입니다. 따라서 순수 전기차처럼 완전한 전기 주행의 이점을 누리기 어렵습니다.
5. 중량 증가: 하이브리드 시스템에는 내연기관과 전기모터, 그리고 배터리가 포함되어 있어 차량의 무게가 증가할 수 있으며, 이는 차량의 성능과 연비에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

이러한 장점과 단점을 고려할 때, 하이브리드 차량은 연비와 환경 측면에서 효과적인 선택이 될 수 있지만, 초기 비용과 복잡한 유지 보수에 대한 준비가 필요합니다.

 

2022년/2023년을 뜨겁게 달구었던 전기차와 전기차용 배터리. 경기때문인지 지금은 잠시 주춤한 상태입니다. 많은 분들의 이목을 끌었던 만큼 주식시장도 뜨거웠었는데 아마도 크게 데이신 분들도 많으리라 생각됩니다. 투자의 입장이 아닌 단순히 다가올 전기차가 대세일 시대를 상상해 보면 언젠가는 엔진으로 움직이던 차량들은 박물관에서나 볼 수 있는 시대가 공 도래할 것 같습니다. 화재 걱정 없는 배터리가 사용되고 신뢰도 높은 자율주행 소프트웨어를 사용한 안전한 전기차의 시대는 반드시 도래할 것이고, 투자자의 시각으로 전망이 밝고 전기차의 대중화를 선도해 나갈 유망한 회사를 찾아 보고 여윳돈으로 다가올 전기차의 미래에 투자해 보는 것도 좋을 것 같습니다.

 

올 것은 오고야 마는 당연 미래, 전기차의 시대 또는 전기차 보다 더 멋진 동력원을 가진 탈 것의 시대가 오지 않을까요?