전기차 배터리의 강자, 대한민국!!!

전기 승용차와 전기 트럭이 도로를 누비는 시대가 왔다. 전기차의 동력이 되는 배터리는 이제 가장 중요한 부품으로 차량 가격에서도 높은 비중을 차지한다. 배터리는 청정 운송의 가능성과 한 국가의 힘과 산업의 지배구조, 환경보호 등 다양한 분야에 걸쳐 광범위한 변화를 가져오고 있다. 스마트폰에도 들어가는 리튬이온(lithium-ion) 배터리는 전기차의 가장 대중적인 동력원이다. 리튬은 반응성이 뛰어난 화학물질로, 이를 사용해 만든 배터리는 고전압을 수용하고 충전력이 우수하다. 또 효율적인 고밀도 상태로 에너지를 저장할 수 있다. 리튬이온 배터리는 제작 비용이 감소하는 반면 성능이 향상되고 있기 때문에 향후 전기차에서도 우위를 점할 것으로 예상된다. 현재 일반적인 전기차의 배터리 무게는 약 1,000파운드(약 454kg), 배터리 제조 비용은 약 1만 5,000달러(약 1,900만 원)다. 완충 시 일반적인 가정을 기준으로 수일간 차량을 운용할 수 있다. 충전 용량은 시간이 지나면서 줄어들지만, 보통 10년 이상을 사용할 수 있다. 그러나 전기차 배터리는 충전 시간이 길고 원료의 생산 비용이 비싸고 화재가 나면 소화가 쉽지 않다는 단점이 있다.

전기차 배터리 내장 차체

전기차 배터리 작동원리
하나의 배터리는 수백 개, 또는 수천 개 리튬이온 전기화학 배터리 셀의 집합체다. 배터리 셀은 실린더 또는 주머니 모양을 하고 있으며 약간 무른 재질이다. 배터리 셀은 니켈, 망간, 코발트 등 산화물 소재로 만드는 양극재, 흑연으로 만드는 음극재, 그 사이를 채운 액체물질인 전해질, 분리막 4가지 요소로 구성되며, 양극(+)과 음극(-) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치다. 다시 말해 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면 배터리가 충전되고, 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면 배터리가 방전되는 원리다. 배터리 셀에서는 리튬의 화학반응이 일어난다. 외각전자에 느슨하게 고정된 리튬은 쉽게 분리되며 리튬이온(외각전자가 없는 원자)을 남긴다. 이온과 전자들이 움직이면서 배터리는 충전과 방전을 거듭하게 된다. 배터리를 충전할 때 외부에서 유입된 전류는 양극의 리튬이온 원자로부터 전자를 분리한다. 분리된 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 흐른다. 음극은 보통 가격이 저렴하고 에너지 밀도가 높으며, 오래 사용할 수 있는 흑연으로 만든다. 이온화된 리튬 원자는 전해질을 통해 음극으로 흘러 전자와 재결합한다. 배터리를 사용할 때는 이 과정이 반전된다. 음극의 리튬 원자는 다시 전자에서 분리돼 이온화된 상태에서 전해질을 통해 양극으로 흐르고, 전자도 외부 회로를 통해 양극으로 흐른다. 이 과정에서 배터리가 전기모터에 에너지를 공급한다.

리튬 이온 배터리의 원리

양극재 
배터리가 저장할 수 있는 에너지 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것인데, 양극재가 바로 배터리의 성능을 좌우할 ‘용량’과 ‘전압’을 결정하는 핵심 소재다. 리튬이온배터리를 구성하는 네 가지 요소 중 양극재에 더욱 주목해볼 만한 이유다. 
배터리 성능과 특성을 결정짓는 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 이루어져 있다. 주로 사용되는 금속 성분은 에너지밀도를 결정하는 니켈(Ni), 안정성을 높이는 코발트(Co)와 망간(Mn), 출력을 향상하는 알루미늄(Al)으로, 어느 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라서 양극재의 △용량 △에너지밀도 △안정성 △수명 △가격경쟁력이 달라진다. 전기차로 쉽게 설명하자면, 용량은 주행거리, 에너지밀도는 전기차의 출력, 안정성은 배터리의 화재 등 사고를 제어하는 능력, 수명은 배터리 사용 기간에 영향을 미친다.
국내 전기차 배터리 사업자들은 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 두 종류의 삼원계 배터리*를 주력으로 하고 있다. 그중에서도 주행거리와 출력이 우수한 NCM 양극재가 현재 전기차용 이차전지로 가장 많이 사용되고 있다.

NCA의 경우 니켈, 코발트, 알루미늄의 구성 비율이 8:1:1로, 니켈 함량이 높고 알루미늄이 포함돼 타 소재에 비해 배터리 밀도와 출력이 높다. 이러한 이유로 NCA는 원통형 배터리 등 소형전지에 주로 쓰이고 있다.
CATL 등 중국계 배터리 제조사에서 주로 생산하는 LFP(리튬·인산·철)는 코발트와 니켈을 사용하지 않고, 대신 철(Fe)를 사용한다. NCM 대비 약 30% 이상 저렴하며 안정성이 높은 반면, 에너지밀도가 낮아 주행거리가 짧고 출력이 낮은 단점이 있다. 이에 에너지 밀도를 높여 주행거리를 확보하는데 집중하고 있다.


음극재

음극재는 양극에서 나온 리튬 이온을 저장 및 방출하며 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 한다. 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하는데, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 리튬 이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하며 전기를 발생시킨다. 집에서 나온 리튬 이온이 일을 하며 만든 전기라고 생각할 수 있다. 음극재는 많은 이온을 안정적으로 저장할 수 있는 흑연이 주로 사용되는데 리튬 이온을 저장하고 방출되는 과정이 반복될수록 리튬이온이 음극재의 소재인 흑연의 층 사이사이로 끼어 들어가게 되면 흑연은 팽창하게 되고 흑연의 구조가 변화하며 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들게 되고, 이로 인해 배터리 수명이 줄어들게 된다. 음극재 역시 용량이 크고 충전 속도를 빠르게 할 수 있는 실리콘 음극재 등 차세대 음극재 개발이 활발하게 진행되고 있다. 실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 에너지밀도가 약 10배 높아 전기차의 주행 거리는 늘리고, 급속 충전 설계가 쉬워 충전 속도를 단축할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 실리콘은 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 경제적인 소재이기도 하다. 이 같은 장점에도 불구하고 실리콘 음극재는 배터리 충전 시 4배가량 팽창하는 문제와 팽창한 음극이 방전할 때 이전과 같은 형태로 돌아오지 않는다는 위험성이 있다. 배터리 업계는 실리콘 구조 안정화를 위한 연구 개발을 진행하고 있다.

전해질

전해질은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체이다. 전해질은 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온 전도도가 높은 물질이어야 하며, 안전을 위해 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 한다. 또한 전자의 경우 출입을 막아 외부 도선으로만 이동하도록 만들어야 하죠. 현재로서는 이러한 역할을 할 수 있는 액체 전해질이 널리 사용되고 있지만, 안전성과 성능이 더 뛰어난 고체나 젤 형태 전해질에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

분리막
분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하는 역할을 한다. 분리막에는 미세한 구멍이 있어 리튬 이온이 이동할 수 있도록 되어 있어서 이 미세한 구멍을 통해 이온이 이동하여 양극과 음극 간의 접촉 없이 전류가 흐르는 것이 가능하다. 분리막은 안전을 위해 높은 전기절연성과 열 안정성이 요구되며, 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온의 이동을 막는 기능도 갖춰야 한다. 현재 분리막에는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 널리 쓰이고 있는데요 배터리 소형화를 위해 분리막을 얇게 만들기 위한 연구 또한 이뤄지고 있다.

양극재, 음극재, 전해질, 분리막의 작용

미래에는 전기 자동차 시대가 될 것이 분명하고 많은 전지, 전자 제품들이 리툼 이온 배터리 같은 2차 전지를 필요로 할 것이다. 다행히 대한민국은 선견지명을 가지고 전기 배터리 산업에 일찍 뛰어들어 기술 개발에 힘쓴 결과 지금은 세계 최고 수준 배터리 기술을 가진 배터리 강국이 되었다. 앞으로도 더 많은 연구를 통하여 세계 최고의 배터리를 생산하는 국가로서의 위상을 떨치고 환경보호에도 앞서가는 국가가 될 수 있기를 기대한다.