전기 자동차에 사용되는 배터리 종류

EU의 파리기후협정에 따른 CO2 규제로 인하여 친환경차량 생산이 갈수록 늘어갈 것입니다. 즉 전 세계의 글로벌 자동차 OEM들은 플러그인 하이브리드 자동차와 순수 전기자동차 등 친환경차의 생산을 늘리지 않으면 큰 폭의 벌금을 물어야 합니다. 이에 따라 전기자동차에 대한 생산과 판매 역시 갈수록 비중이 커질 것입니다.

흥미로운 점은 전기차 원가에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 것은 다름아닌 배터리입니다. 지금은 전기차 원가의 대략 40%를 차지하고 있는데 배터리의 원가가 갈수록 낮아지면서(2019년 156달러 -> 2023년 100달러) 전기차의 가격 경쟁력이 점차 높아지고 있는 추세입니다.

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그렇다면 오늘은 전기차에서 가장 중요하다고 할 수 있는 배터리에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

배터리는 "리튬2차전지"라고 불리면서 크게 양극재, 음극재, 분리막, 전해액 등으로 구성이 됩니다.

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이 요소들의 특징을 간단히 살펴보면,

우선 양극재는 2차 전지의 핵심 4가지 소재 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있고 리튬을 주원료로 합니다.

어떤 양극활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되기 때문에 양극재는 배터리의 4가지 요소 중에서가장 중요합니다.

다음으로 음극재는 흑연을 주연료로 사용하고 있습니다. 양극재에서 생성된 리튬이온을 전달받고 저장하는 역할을 하는 소재입니다. 즉 배터리가 충전상태일 에는 리튬이온은 양극이 아닌 음극에 존재합니다.

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분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 담당합니다. 전체 생산원가에서 차지하는 비중이 양극재 다음으로 높습니다.

전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체 역할을 수행합니다.

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자세한 배터리의 원리에 대한 설명은 해당 내용을 자세히 읽어보는 것을 추천드립니다.

https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html

 

배터리는 내부의 양극활물질에 따라 종류가 분류가 되기도 하고, 외부의 패키징의 모양에 따라 구분이 되기도 합니다.

우선 "내부의 양극활 물질에 따른 분류"를 살펴보겠습니다.

 

다음은 에코프로비엠의 사업보고서에서 발췌한 내용입니다.

시장은 NCA와 NCM 중심으로 성장해나갈 것으로 예상이 됩니다.

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NCA는 니켈, 코발트, 알루미늄으로 이루어져 있고, 재료당 중량 에너지 밀도가 높고 고용량화가 가능한 이점이 있지만 안정성이 다소 낮은 단점이 있습니다. 주로 소형전지에 사용됩니다.

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NCM은 니켈, 코발트, 망간으로 이루어져있고, 에너지 밀도 등이 NCA보다는 낮지만 안정성 측면에선 비교적 우위를 보이고 있습니다. NCM은 초기에 니켈:코발트:망간의 비중이 1:1:1이었지만 점차 이 비율이 6:2:2로 바뀌었고 또 최근에는 8:1:1로 바뀌었습니다. 니켈의 비중을 높이면서 에너지 밀도를 높이고 코발트의 비중을 줄이면서 원가를 낮추는 긍정적인 효과가 발생하였습니다. 주로 중대형 전지에 사용이 됩니다.

 

다음은 에코프로비엠의 사업보고서에서 발췌한 내용입니다. 주) 출처: 후지경제(2019)

다음은 "외부 패키징의 모양에 따른 분류"를 살펴보도록 하겠습니다.

이것이 우리가 흔히 아는 배터리의 분류입니다. 원통형, 각형, 파우치형으로 나뉘는데,

국내의 배터리 3사로 살펴보면 LG화학은 파우치형 배터리를 주력으로 원통형 배터리의 비중을 높이는 중이고, 삼성SDI의 경우에는 각형 배터리를 주력으로 하되 원통형 배터리에도 강점을 보이고 있으며, SK이노베이션의 경우에는 파우치형 배터리를 주로 생산하고 있습니다.

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이러한 원통형, 각형, 파우치형 배터리의 작은 단위를 셀이라고 하는데, 이러한 셀들을 모아 프레임에 넣어 조립을 하면 배터리 모듈이 됩니다. 이러한 모듈을 또 여러 가지 모으고 BMS를 비롯한 각종 설계를 한 후에야 최종적으로 배터리 팩이 되어 전기 자동차에 탑재가 되는 것입니다.

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가장 먼저 LG화학과 SK이노베이션에서 주력으로 사용하고 있는 파우치형 배터리를 먼저 알아보겠습니다.

 

파우치형 배터리는 Stack & Folding(쌓고 접기) 방식을 이용하여 만들고, 그 형태 그대로 패키징 되기 때문에 내부에 버려지는 빈공간이 없고 에너지 밀도 역시 높습니다. 또한 파우치의 포장재의 특성으로 인하여 다양한 형태로 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 Stack & Folding 방식은 공정이 복잡하기 때문에 원가가 비교적 비싸다는 단점이 있습니다.

*Stack & Folding 방식: 간단히 말하면 양극재, 분리막, 음극재 등을 쌓아 포장하는 방식입니다.

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다음으로 각형 배터리에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

각형 배터리는 Winding 방식을 이용하여 만드는데, 해당 방식은 내부에 버려지는 공간이 생기게 되고 상대적으로 에너지 밀도가 낮은 특징이 있습니다. 하지만 파우치형에 비하여 안정성이 높고 대량생산이 용이하다는 장점이 있습니다. 즉 이러한 이유로 원가적인 측면에서 파우치형에 비하여 유리합니다.

*Winding방식: 간단히 말하면 양극재,음극재,분리막 등을 말아서 특정 모양에 넣는 것(각형은 각진통에 원통형은 원통에)

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마지막으로 원통형 배터리에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

원통형 배터리 역시 Winding 방식을 사용하기에 내부에 버려지는 공간이 생기고 상대적으로 에너지 밀도가 낮습니다. 하지만 원통형의 경우에는 18650,21700 등 사용되는 규격이 정해져 있기에 대량생산이 용이하므로 이는 원가 경쟁력이 높습니다. 규격이 정해져 있다는 것은 비교적 낮은 기술력으로도 만들 수 있는 장점이 있습니다. 또한 원통형은 각형과 파우치형과는 다르게 NCA구조를 채택하고 있기에 에너지 밀도가 높고 출력이 셉니다.(각형과 파우치형은 NCM 구조)

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이처럼 파우치형, 각형, 원통형 배터리는 각각의 장단점이 있기 때문에 아직 시장의 표준이 된 배터리셀은 없는 상황입니다. 현재 대부분의 전기차에는 각형 및 파우치형의 배터리가 사용되고 있는데 최근 테슬라의 약진에 따른 원통형 배터리의 수요가 증가하고 있는 상황이고, 테슬라에서 전기차에 원통형 배터리를 사용할 때 나타나는 단점들을 보완하는 여러 가지 특허들을 무료로 공개하면서 현재 성장하는 전기차 시장에서 표준이 되기 위하여 경쟁이 치열한 상황입니다.

SNE리서치는 순수 전기차 배터리 시장에서 2020년에는 파우치형이 1401GWh로 1위를 차지하고 각형은 111.4GWh로 2위를 차지하고 원통형은 19.2GWh로 3위를 차지할 것으로 예측하고있습니다.

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새로운 시도들도 계속해서 진행이 되고 있는데,

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삼성SDI는 주로 NCM구조가 사용되는 각형 배터리에 NCA구조 섞어 새로운 하이브리드 양극재를 적용하기 위하여 파일럿 라인을 구축하고 있는 상황입니다.

 

각형 배터리는 위에서도 언급하였지만 파우치형 배터리보다 에너지 밀도가 상대적으로 낮지만 내구성이 우수하고 대량생산에 유리합니다. 이러한 각형 배터리의 단점을 보완하기 위하여 단순 NCM보다 에너지 밀도가 높은 하이브리드 양극재를 사용하여 에너지 밀도를 높이고 주행거리를 늘리는 시도 또한 진행이 되고 있습니다.

 

[참고자료]

http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=1434

삼성SDI, 전기차 배터리 신소재 ‘NCA’ 접목 - 전자부품 전문 미디어 디일렉

https://www.mk.co.kr/news/business/view/2020/02/206049/

테슬라 덕분에…LG·삼성 원통형 배터리 `부활` - 매일경제

https://jmagazine.joins.com/economist/view/328719

[2020 경제 대예측 | 한국 산업은 어디로 - 배터리] 2020년은 전기차 배터리 시장 패권다툼 원년