배터리의 기술 발전 동향

배터리는 전기차의 가장 중요한 핵심 요소이다. 과거 납축전지를 사용할 당시에도 그랬고, 요즘처럼 리튬 계열의 리튬이온 배터리를 사용하고 있는 상황에서도 그렇다. 물론 리튬이온 배터리가 납축전지에 비해 6배 가까운 에너지 밀도를 가지게 되면서 내연기관과 경쟁이 가능하게 되었지만, 여전히 가격은 비싸고, 무게는 무겁고, 화석연료와 비교해서는 여전히 에너지 밀도는 부족하며 폭발에 대한 위험을 가지고 있다.

리튬이온 배터리를 사용할 경우, 대략 차량 가격의 50% 정도가 배터리 가격이라고 얘기한다. 지속적으로 하락하고 있지만, 현재 리튬이온 배터리의 가격은 1kWh에 약 500불 정도이며, 무게는 약 7kg정도(1kg에 150Wh 수준)이다. 만약 테슬라 모델S 처럼 100kWh 배터리를 적용한다면 배터리 가격만 5만불이라는 엄청난 가격(물론 테슬라가 사용하는 배터리는 1kWh에 200불 이하이다)에 무게도 700kg이 된다. 그런 이유로 테슬라를 제외한 대부분의 기존 1세대 전기차는 20kWh 이하의 배터리를 가지고 있었다. 하지만 테슬라의 경우에서 볼 수 있듯이 이러한 단점들은 어느 정도 해결이 가능하다.

테슬라는 같은 리튬이온 배터리 중에서도 에너지 밀도는 20~30% 정도 높지만 가격은 저렴하고 안정적인 대량 생산이 가능한 파나소닉 원통형 18650 리튬이온 배터리 수천 개를 직병렬로 연결해 사용한다. 이를 통해 타제조사들은 1kWh에 500~600불로 배터리팩을 생산할 때, 200불 이하의 가격으로 배터리팩을 생산하였다.  게다가 가격을 더욱 낮추기 위해 2017년부터 생산을 목표로 리튬이온 배터리 생산 공장인 기가팩토리를 건설 중이다. 기가팩토리가 완공되면 원통형 리튬이온 배터리의 가격은 현재보다 30% 정도 더 낮아질 것이라고 한다. 최근에는 18650 배터리보다 에너지 밀도가 20~30% 증가한 21700 배터리의 생산을 통해 동일한 사이즈의 배터리팩에서 50% 정도 용량 향상이 가능하다고 한다. 심지어 최근 발표한 기업용 ESS인 파워팩2.0(200kWh)은 원통형 21700 배터리를 사용하여 기존 파워팩 1.0(100kWh)과 동일한 사이즈에서 2배로 용량이 늘었다. 2017년말 출시 예정인 테슬라의 보급형 전기차 모델인 모델 3에도 원통형 21700 배터리가 사용될 예정이라고 하니 더욱 기대가 되는 부분이다.

배터리는 충전이 불가능한 1차 전지와 충전이 가능한 2차 전지로 나누어 지며 당연히 전기차에는 충전을 위해 2차 전지를 사용한다. 2차 전지에는 가장 오랫동안 사용중인 납축전지부터 니켈 계열의 니켈 카드뮴 전지, 니켈 메탈 수소 전지를 비롯해 최근에 주로 사용중인 리튬 계열의 리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지 등이 존재한다.

납축전지는 1859년 프랑스 물리학자인 G. Plante에 의해 발명되어 아직까지도 사용중인 전지로 2v의 높은 셀 전압과 낮은 제조 원가, 대용량 제작이 수월한 장점이 있지만 에너지 밀도가 30Wh/kg으로 낮고 수명이 짧으며 자기방전율이 높고 작게 만들기 어렵다는 단점이 있다. 납축전지는 이온화 경향이 큰 음극(해면상납)과 이온화 경향이 적은 양극(과산화납)을 전해질(약 37% 정도의 묽은 황산 농도)에 넣어 회로를 만들고 화학 반응을 통해 전기에너지를 발생시키는데, 황산용액을 전해질로 해, 분리막에 의해 나누어진 Pb와 PbO₂ 전극에서 전기의 방전에 따라서 모두 PbSO₄로 변하고, 다시 충전에 의해 본래의 Pb와 PbO₂로 되돌아오는 과정을 거친다.

니켈 계열의 전지들은 에너지 밀도가 90Wh/kg 정도로 납축전지에 비해 약 3배 정도 높은 장점이 있으나, 약 1.2v의 낮은 출력과 20~30%의 높은 자체 방전율과 메모리 효과로 인한 수명 단축 등의 단점이 있다. 니켈 계열의 전지 중 대표적인 니켈수소 전지는 1988년 소형전지로 처음 시장에 등장하였는데, KOH 용액을 전해질로 해, 분리막에 의해 나누어지는 NiOOH 양극과 수소저장합금인 MH를 음극으로 사용한다. 전기화학적 반응은 방전 시 음극에서 수소가 발생해 수소저장합금인 음극에 저장되고, 양극에서는 Ni(OH)₂가 NiOOH로 변한다.

지금의 전기차 재도약의 발판이 되고 있는 리튬 계열의 전지들은 1991년 일본 소니사에 의해 처음 상용화되어 소형 전지시장을 석권하였다. 납축전지에 비해 6배 이상의 최대 200Wh/kg의 에너지 밀도를 가지며 방전이 잘 되지 않고 메모리 효과도 적은 장점을 가지고 있다. 하지만 온도에 민감하며 안전성이 떨어지는 단점이 있어 보호를 위한 회로와 셀 등의 구성이 필요하며 가격이 비싸다. 다른 2차전지들에 비해 무게·부피당 에너지가 가장 큰 전지시스템이므로 자동차용으로 이용이 계속 검토되었으나 가격과 안정성 측면에서 불리해 상용화 적용이 지체되었다. 하지만 최근 기술의 발달로 안정성이 확보되고 가격이 현실적인 수준으로 하락하면서 전기차에서 이용되기 시작하였다. 리튬 계열의 전지는 전해질을 무엇을 사용하느냐에 따라서 전해질로 액체만 사용하는 리튬이온 전지, 액체와 고분자가 함께 있는 젤 형태의 전해질을 사용하는 리튬이온폴리머 전지 그리고 고무와 같은 전고체상의 폴리머 전해질을 사용하는 리튬폴리머 전지로 분류가 된는데, 최근 전기차 배터리로 많이 사용되고 있는 리튬폴리머 전지의 경우 고체 성분의 젤 타입 전해질을 사용하여 발화나 폭발의 위험이 적으며 에너지 효율이 높은 장점이 있다. 덜 견고한 재질의 커버 사용이 가능하여 다양한 크기와 모양으로 제조가 가능하며 무게도 줄일 수 있어 대량 생산이 가능하다. 물론 가격이 상대적으로 비싸다는 단점도 가지고 있다.

최근에는 그래핀 등의 신소재를 이용하여 기존 리튬이온 전지에 비해 2배 정도의 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 배터리를 개발하거나 알루미늄이나 리튬 등을 공기 중의 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 금속 공기 전지 등의 개발도 진행 중이다. 리튬공기 전지의 경우 기존 리튬이온 전지에 비해 10배에 가까운 높은 에너지 밀도를 가져 휘발유 등과 맞먹는 효율성을 가진다고도 한다.

우리나라의 전기차 배터리 기술은 세계적인 수준으로 평가 받고 있다. LG화학, 삼성 SDI, SK이노베이션 등이 시장을 선도적으로 주도하고 있다. 작년 한해 동안 원통형/각형/파우치형 등 소형전지 위주의 리튬이온 배터리 시장에서는 총 12억셀 정도를 생산하였으며, 리튬이온 전기차 전용 배터리는 총 1,200MWh의 배터리를 생산하였다. 하지만 지속적인 투자와 설비 시설의 확장으로 2018년 정도에는 그 동안 열세였던 일본과 중국을 추월해 8,100MWh 정도의 전기차 전용 배터리 생산이 가능할 것으로 예상되고 있다. 하지만 한국과 일본의 전지산업 공동화 현상에 대한 우려도 존재하고 있다. 그간 비용 절감과 거대시장 접근성을 위해 중국으로 생산기지를 옮김에 따라 오히려 자국 내 생산 경쟁력은 쇠퇴할 수 있다는 분석이다. 이미 중국에 합법적인 형태로 생산거점을 확보한 상태에서 기술 유출에 대한 우려와 전문인력의 유출, 취업 불안 등의 장기적인 악재들도 존재하고 있다.