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[오토저널] 전기자동차용 배터리의 기술 현황 및 이슈

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-04-10 19:14:40

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글로벌 환경 규제 및 에너지 소비 효율 향상을 위하여 하이브리드, 플러그인하이브리드, 전기자동차 등 전기동력 차량의 개발 및 판매가 활발해지고 있다. 특히 미국의 테슬라는 종래의 내연기관 자동차에 버금가는 긴 주행거리 등으로 인기를 끌고 있다. 블룸버그에 따르면 테슬라는 2015년에 2014년 대비 50% 이상 판매량이 늘어나 메르세데스 벤츠 S 클래스를 제치고 미국 대형 럭셔리 세단 시장 점유율 1위를 차지하였다. 보급형 전기차 모델3는 사전 주문계약이 30만대를 넘어서 단일차종으로 미국 연간 판매량 1위인 도요타 자동차의 캠리와 유사한 수준으로, 테슬라의 모델3가 안정적으로 시장에 진입할 경우 럭셔리 시장 뿐 아닌 전반적인 자동차 시장을 흔들 것으로 예상되고 있으며 이에 따라 GM, 도요타, 폭스바겐 등 자동차회사들도 전기차 시장에 보다 본격적으로 참여하는 추세이다.

 

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이러한 테슬라자동차의 인기 비결 중 하나는 500km 이상의 긴 일충전 주행거리이며, 이는 고에너지밀도의 원통형 리튬이차전지를 많이 탑재하였기 때문이다. 파나소닉이 공급한 전지는 직경 18mm, 길이 650mm의 원통형으로 흔히들 18650 타입으로 불려지고 있으며, 노트북 컴퓨터에 사용되던 표준형태의 크기 규격이다. 오랜 기간의 기술 축적으로 18650 타입 원통형전지의 셀 단위 에너지밀도는 매우 높은 수준에 달하였으며 빠른 생산속도의 장점도 갖고 있다. 그러나 얇은 노트북 컴퓨터들의 출시로 인하여 원통형전지의 사용처가 줄어들게 되었는데, 높은 에너지밀도의 전지를 원하던 테슬라와 새로운 수요처를 찾던 파나소닉의 만남으로 자동차에 탑재되게 되었으며 수천개의 셀을 연결하여 제어하는 테슬라의 기술력으로 현재까지도 모델S 등에 탑재되어 사용되고 있다. 그러나, 이러한 리튬이차전지의 에너지밀도는 그 원리 및 소재의 이론적 한계에 근접하여 있으며, 보다 에너지밀도를 높이기 위해 다소 무리한 셀 설계를 수행할 경우 국산 최신형 스마트폰에서의 사례처럼 안전상의 우려가 높아지게 된다. 따라 고에너지밀도의 전지 개발에 있어서는 보다 안전성을 확보할 수 있는 방안이 필수적으로 고려되어야 한다.

 


전기자동차용 전지의 요구특성


자동차용 전지에 요구되는 중요한 특성은 에너지밀도, 출력밀도, 안전성, 충방전수명, 저장수명, 가격이다. 높은 에너지밀도는 동일 중량, 부피내에 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 제한된 차량 공간내에 더 많은 에너지를 저장하고 구동하기 위해 필수적이다. 출력밀도는 자동차의 동력 성능을 확보하는 데 중요하며, 가격은 상품성을 확보하기 위한 기본적인 요소로서 지속적인 원가절감을 통해 가격경쟁력을 확보해야 할 것이다. 충방전 수명은 여러 차례 충전과 방전을 거듭할 경우 사용함에 따라 초기에 비해 줄어드는 용량을 몇회 이상 유지할 것이냐에 대한 것으로 10만 km 이상의 주행에도 큰 주행거리 저하 없이 유지하기 위해 필수적이다. 또한 저장수명은 세워두는 시간이 길고, 폐차할 때까지 10년 이상 장기간 사용하는 자동차의 특성상 오랜 기간 유지하기 위해 중요하다. 안전성은 각종 차량 문제 발생기에 배터리로 인하여 추가적인 위험요소가 발생하지 않도록 유지하기 위함으로, 특히 많은 에너지를 갖고 있는 자동차용 전지의 사고발생시에는 그만큼 위험도도 증가하므로 충분한 안전성이 확보되어야 할 것이다. 이를 정리하여 <그림 2>에 나타내었다.


리튬이차전지


리튬이차전지는 높은 에너지밀도와 출력밀도 특성으로 인하여 휴대용 전자기기에 널리 사용되어 왔으며, 최근에는 하이브리드 및 전기자동차에도 적용되고 있다. 리튬이차전지는 리튬이온을 가역적으로 저장할 수 있는 양극과 음극 재료를 사용하며, 사이에 리튬이온만을 전도시키는 전해액과 양극과 음극의 직접 접촉으로 인한 전기적 단락을 막는 분리막으로 구성되어 있다. 양극 소재 LiCoO2와 음극 소재 카본은 리튬이온을 가역적으로 저장할 수 있으며, 전해액을 통해 리튬이온이 이동함과 동시에 외부 회로를 통해 전자가 이동하게 되어 이 에너지를 이용하게 된다.


리튬이차전지의 에너지밀도는 기본적으로는 양극과 음극 소재가 가역적으로 저장할 수 있는 리튬이온의 양에 의해 결정되며, 따라서 보다 많은 리튬이온을 가역적으로 저장할 수 있는 소재 연구가 활발히 수행되고 있다. 1991년 리튬이차전지가 최초 상용화될 당시에는 LiCoO2 양극이 주로 사용되었으나 최근 자동차용으로는 고용량의 Li(NixCoyMnz)O2계가 주로 사용되고 있으며, Ni함량을 높이는 연구가 활발히 진행중이다. 또한 음극소재로는 고용량의 실리콘 혹은 리튬메탈이 검토되고 있다. 그러나 리튬이차전지는 이론적 에너지밀도 한계에 거의 근접하고 있으며, 보다 높은 에너지밀도를 갖는 차세대전지 개발 필요성이 더욱 증가하고 있다.

 


차세대전지의 필요성


자동차업계를 중심으로 보다 높은 에너지밀도를 갖는 차량용 전지의 개발 필요성이 높아지고 있으며, 관련되어 여러 차세대전지 시스템이 후보로 거론되고 있다. 보쉬에서는 800Wh/L를 전기자동차용 리튬이차전지의 에너지밀도 한계로 고려하고 있으며, 보다 높은 에너지밀도를 확보하기 위하여 전고체전지, 리튬-황 전지 등의 시스템이 2020년, 2025년 이후에 전개될 것으로 예측하고 있다. 전기자동차의 일충전주행거리는 테슬라 자동차의 성장에서 볼 수 있듯이 종래 내연기관 차량 대비 경쟁력을 갖기 위해 필수적이며, 따라서 고에너지밀도 차세대전지 기술 확보를 위해 연구 개발이 경쟁적으로 활발히 수행되고 있다.

 

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차세대전지의 기술 전망


리튬-황전지, 리튬-공기전지, 나트륨전지, 마그네슘전지, 전고체전지 등 여러 차세대전지 시스템들이 종래의 리튬이차전지의 기술적 한계를 돌파하기 위한 후보로서 연구개발되고 있다. 그러나 앞서 알아본 자동차용 전지의 6대 주요 요구 특성을 고려할 때 일부 항목에서 리튬이차전지를 능가할 가능성을 보이는 수준이나, 전반적인 기술적 수준으로 비교할 경우 아직 리튬이차전지 대비 기술적 우세를 보이는 시스템은 없는 상황이다. 각 차세대전지 시스템들의 구성 요소 및 장단점을 <표 1>에 정리하여 나타내었다.

 

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나트륨전지, 마그네슘전지 등 리튬 원료를 사용하지 않는 시스템들은 리튬의 공급 부족 사태 등 가격 상승시 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대되어 연구개발이 시작되었다. 그러나 리튬 원료 자체는 지구상에 매우 풍부하게 존재하며, 자원의 지역적 편중 문제는 있으나 아직까지 원료 공급 문제로 가격 급상승을 불러일으킬 요인은 아니다. 또한 나트륨 및 마그네슘 등 리튬이온이 아닌 다른 원소의 가역적 저장이 가능한 전극 재료에 대한 개발도 아직 충분히 수행되지 않은 상황으로 보다 장기간의 연구 개발이 필요할 것으로 예상된다.


리튬-공기전지는 양극으로 산소, 음극으로 리튬메탈을 사용하는 시스템으로 공기중의 산소를 사용하기에 셀의 에너지밀도를 극대화할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나, 충방전 중의 비가역적인 중간상의 생성으로 인하여 가역성이 낮아 재충전하여 사용할 경우 용량이 급격히 줄어드는 단점이 있다. 또한 산소 공급 시스템 등을 고려하면, 셀 레벨이 아닌 팩 단위에서는 에너지밀도 향상폭이 그리 크지 않을 수 있다는 우려도 있다.


미국 IBM에서는 배터리500 프로젝트를 수행하여 일충전 주행거리 500마일의 전기차를 상용화하기 위하여 리튬-공기전지에 대한 연구를 활발히 수행하고 있다. 또한 일본의 산업기술종합연구소에서는 고체전해질을 도입하여 리튬공기전지의 내구성을 향상시켰으며, 셀 디자인 및 컨셉을 구현하는 연구를 수행하고 있다.

 

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리튬-황전지는 양극으로 황, 음극으로 리튬메탈을 사용하는 시스템으로, 리튬을 많이 저장할 수 있는 황의 사용으로 인하여 종래 리튬이차전지의 양극재료 대비 10배 가량 높은 1862mAh/g의 높은 용량 구현이 기대된다. 다만, 황의 낮은 전자전도도로 인하여 도전재인 카본의 함량이 높아야 하기에 실제 셀의 에너지밀도는 기대만큼 높이기는 어려우며, 충방전 중간 생성물이 용해되며 용량이 감소되는 현상으로 인하여 충방전 수명이 열세인 단점이 있다. 미국의 Sion power는 미국 에너지성 DOE의 프로젝트를 수행하고 있으며 개량된 전해질을 적용하여 리튬-황 전지의 성능을 향상시킨 연구 결과를 발표하였으며, 이를 <그림 5>에 나타내었다.

 

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전고체전지는 종래의 액체전해질을 고체로 변경한 것으로 양극과 음극 소재는 종래 리튬이차전지의 소재를 사용할 수 있으며, 다른 차세대전지의 전극재 적용도 가능하다. 고체전해질의 종류에 따라서 고분자계와 무기계로 나눌 수 있으며, 무기계 중에서도 산화물계와 황화물계로 나눌 수 있다. 종래 리튬이차전지의 가연성 유기액체전해액을 난연 혹은 불연성의 고체전해질로 변경하여 안전성을 극대화시킬 것으로 기대되고 있으며, 고에너지밀도화에 따라 안전성에 대한 우려도 커지면서 더욱 주목받고 있다. 전고체전지에 있어서는 높은 이온전도도를 갖는 고체전해질의 개발이 핵심이며, 상온에서 유기 액체 전해액과 동등 수준의 리튬이온전도도를 나타내는 신규 소재, 황화물 고체전해질이 동경공업대학 칸노 교수와 도요타자동차의 공동연구에 의해 보고되며 활발히 연구되는 계기가 되었다. 그러나 양극재와 고체전해질간의 계면저항이 높으며, 리튬이온전도도가 높은 황화물계 고체전해질은 수분 반응성이 높아 전지 제작 공정성을 확보해야 하는 과제가 있다.


일본 도요타자동차는 2014년 1인승 소형 전기자동차에 자사 개발의 전고체전지를 탑재하여 시험 구동하였으며, 2022년 양산을 목표로 활발히 개발하고 있는 것으로 알려져 있다. 특허 출원 건수에 있어서도 전고체전지는 타 차세대전지에 비해 앞도적으로 높은 상황으로 상대적으로 상용화에 근접해 있는 것으로 판단된다. 그러나 아직 대면적 셀 성능 구현과 제작 공정 기술의 개발, 스케일업 및 가격 경쟁력 확보 등 리튬이차전지 대비 경쟁력을 확보하기에는 시간이 걸릴 것으로 예상된다.


배터리 기술의 발전과 함께 전기자동차 시장은 급성장하고 있으며, 보다 높은 에너지밀도와 안전성을 확보할 수 있는 차세대전지에 대한 자동차사의 요구는 날로 높아져가고 있다. 다양한 차세대전지 후보들이 활발히 연구되고 있으나 당분간은 리튬이차전지의 아성을 넘기는 어려울 것으로 예상되며, 차량 관점에서 우수한 특성을 가질 수 있는 차세대 전지 개발이 요구되고 있다.

 

글 / 김경수 (전자부품연구원)
출처 / 오토저널 17년 11월호 (http://www.ksae.org) 
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