전기차 배터리, 배터리 원리, 배터리 소재

전기차 배터리, 배터리 원리, 배터리 소재

 

전기차 배터리, 배터리의 원리, 배터리 소재에 대해 알아보겠습니다. 전기차와 전기 트럭이 한대씩 늘어나더니 조금씩 도로를 채우고 있습니다. 전기차의 배터리는 전기차에서 가장 중요한 부품으로 전기차 판매가격에 높은 비중을 차지합니다. 전기차에서 배터리는 친환경 운송 가능성을 보여주었습니다. 배터리를 구성하는 소재는 지정학적 힘과, 산업의 구조, 환경 보호 등 다양한 분야에 걸쳐 많은 영향을 주었고, 앞으로도 이러한 영향이 향후 많은 변화를 일으킬 것으로 보입니다.

 

2030년까지 미국의 신차 판매 50% 이상을 전기차가 차지할 것으로 보입니다. 이러한 추세는 우리나라에도 반영될 것입니다. 추세에 따라 전 세계 배터리시장의 성장가능성을 예측해보면, 향후 10년간 테슬라 기가팩토리 규모의 설비가 90개 정도 더 필요하다는 예측도 가능합니다.

1. 전기차 배터리

리튬이온 배터리는 스마트폰 배터리로도 이용되고 있지만, 현재 판매되고 있는 전기차에 가장 많이 적용되는 동력원입니다. 리튬은 반응성이 높은 화학물질로 이를 사용해서 만든 배터리는 높은 전압을 수용하고 충전력이 다른 소재에 비해 매우 우수합니다. 고밀도 상태로 효율적으로 에너지를 저장할 수 있는 것입니다. 리튬이온 배터리의 제작비용은 지속적으로 감소하고 있고, 제작된 성능은 더욱 향상되고 있습니다. 앞으로도 전기차에 사용되는 배터리는 리튬이온 배터리가 대세가 될 것입니다.

 

현재 적용되는 전기차의 배터리 무게는 일반적으로 약 454kg, 제조 비용은 약 2,000만원(1만5천달러 수준)입니다. 완전 충전후 시내 주행시, 약 일주일 정도 차량을 운행할 수 있습니다. 충전량은 사용기간이 늘어나면 줄어들지만, 보통은 10년 길게는 20년정도 사용이 가능한 것으로 알려져 있습니다.

 

2. 배터리 원리

전기차의 배터리는 리튬이온 배터리셀이 수백개에서 수천개로 집합되어 있습니다. 배터리 셀은 건전지와 같은 실린더 형태 또는 무른 재질의 주머니 모양을 하고 있습니다. 배터리 셀은 산화물 소재의 양극, 흑연으로 만드는 음극, 그 사이를 액체물질인 전해질로 채워져 있습니다. 산화물 소재의 양극은 니켈, 망간, 코발트 등을 사용합니다.

 

배터리 셀은 리튬의 화학반응을 이용합니다. 리튬은 전자와 이온으로 쉽게 분리됩니다. 전자와 분리된 리튬은 리튬이온(전자가 분리된 리튬원자)을 남깁니다. 리튬이온과 전자의 결합 및 분리과정을 통해 배터리는 충전과 방전을 할 수 있게 됩니다.

 

충전할 때 전류는 양극의 리튬이온과 전자를 분리합니다. 분리된 전자는 외부의 회로를 통해 음극으로 흐릅니다. 음극은 저렴한 가격에 에너지밀도가 높고, 오래 사용 가능한 흑연으로 만듭니다. 이온화된 리튬원자는 전해질을 통해서 음극으로 흘러들어가게 되며 다시 전자와 결합합니다.

 

배터리를 사용할 때는 이러한 과정이 반대로 이루어됩니다. 음극의 리튬원자는 다시 전자와 분리되어서 이온화됩니다. 이 이온은 전해질을 통해서 양극으로 흐르게 됩니다. 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 흘러갑니다. 이 과정에서 배터리가 전기가의 모터에 전기에너지를 공급합니다.

리튬이온 배터리 충전 및 방전원리

 

3. 배터리 소재

전세계적으로 전기차 공급이 확산되고 있습니다. 이에 따라 배터리 원료가 되는 광물의 수요가 급증하고 있습니다. 탄산리튬(리튬을 추출하는 화합물) 가격은 최근 10년 동안 안정적으로 가격 유지되었습니다. 그러나 전기차 공급 확대로 인해 배터리 소재에 투자하는 신규투자가 폭증하여 탄산리튬의 가격은 최근 2년간 10배 가까이 급등하였습니다. 미국에서만 수십개의 배터리 공장이 세워지고 있고, 배터리 소재에 대해 수많은 광산 채굴 프로젝트가 진행중입니다.

 

배터리를 만드는 제조회사는 가격이 높고 구하기 어려운 소재를 대신하여 배터리의 재활용 비율을 높이기 위해 애를 쓰고 있고, 소재 및 원료 부족문제를 해결하고 효율성이 높은 차세대 배터리 개발에 힘을 쏟고 있습니다. 새로 개발되는 리튬이온 배터리에는 더 이상 코발트를 사용하지 않게 될 것입니다. 값싸고 흔한 원료들로 만들어진 나트륨황 배터리와 액체 대신 고체 화합물로 전해질을 대체하는 전고체 배터리가 과학자들에 의해 연구되고 있습니다.

전기차의 공급 확대는 결국 더 가볍고, 더 안정적이며, 더 빠르게 충전되는 대체 배터리의 개발로 이어질 것이라고 생각됩니다.