출처 : Nissan

일반 내연기관 차량에서는 엔진이 가장 중요한 부품이라고 말할 수 있겠지만 전기차에서는 모터와 더불어 배터리가 가장 중요한 부품 중 하나라고 볼 수 있다. 부품 가격 중 배터리가 전체 찻값의 차지하는 비중이 40% 이상인 점을 보아도 그러하고 배터리의 용량이나 최고 전압에 따라 주행 가능 거리와 함께 모터의 최고 출력이 결정되는 등 여러 가지 면에서 전기차에서 배터리가 담당하는 영역이 폭넓고 중요하다.

배터리의 역사는 꽤 오래되었지만 닛산의 근대적인 배터리 개발은 1991년경부터이다. 이때 최초로 리튬이온배터리를 휴대전화에 장착하여 실용화하였다.

이후 1992년 연구개발에 착수하여 코발트 개, 원 통계, 래미네이트 형 등을 거쳐 지금의 리튬 폴리머 배터리(lithium polymer batteries)에 이르게 되었다고 한다.

 

닛산 배터리의 개발 역사 – EV 전기자동차 발췌

 

배터리는 1차 전지와 2차 전지로 나누는데 이중 1차 전지는 일상생활에서 많이 쓰이는 건전지 같은 1회용 배터리를 말한다. 2차 전지는 충전이 가능한 전지를 말하는데 2차 전지의 종류는 매우 다양하다. 납 축전지, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등이 있으며 최근 국내산 전기차에는 리튬 폴리머 배터리가 주로 쓰이고 있다.

1차 전지는 대게 개당 1.5v의 전압을 가지고 있으며 2차 전지인 니켈 카드뮴과 니켈수소 전지는 1.2v 정도의 전압을 가지고 있다. 리튬 폴리머 배터리는 3.6v 또는 3.7의 전압을 가지고 있는데 1개당 1셀이라는 단위로 불린다. 이것을 몇 개씩 묶어 팩으로 부르고 모듈화해 전기차에 장착하는 것이다.

 

출처 : LG화학 • IBK투자증권

 

코나 EV 나 니로 EV에는 에너지 용량 64KWh의 리튬 폴리머 배터리가 장착되는데 리튬 폴리머 배터리 98개 정도를 묶어 배터리 케이스에 넣어 장착하는 것이다.(3.6V X 98셀 = 352.8V)

 

코나 EV 기본형 배터리 스펙(주행 가능 거리 복합 5.6Km/KWh)
코나 EV 도심형 배터리 스펙(주행 가능 거리 복합 5.8Km/KWh)

테슬라 모델 S엔 원통형 리튬이온배터리인 파나소닉 NCA 18650 배터리를 적용되었다. 지름이 18mm, 길이가 65mm인 원통형 전지가 장착되어 있다.

 

출처 : 테슬라

얼마 전 우주로 날아간? 로드스터의 경우에는 범용 리튬이온배터리를 6,831개를 사용하며 일본 EV 클럽이 제작한 미라 EV는 리튬이온배터리를 8,320개를 탑재하여 240V의 전압을 사용한다.

 

출처 : 테슬라

이와 같이 배터리의 셀 수를 늘리면 고전압을 얻을 수 있지만 그에 따를 충전이나 방전 상황이 다르기 때문에 셀 관리는 수가 많아질수록 힘들어진다. 그래서 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System)가 중요한 이유이다.

 

전기차 배터리 솔루션 | 출처 : LG화학 홈페이지

 

관리도 관리이지만 안정성 때문에 BMS는 꼭 필요하다. 리튬이온배터리보다는 리튬 폴리머 배터리가 안정성이 좀 더 좋다고는 하지만 사고 시 생명과 직결될 수 있는 부분이므로 어느 정도의 안정성은 담보되어야 하기 때문이다.

 

이 안정성 때문에 제조공정이 복잡하여 가격이 비싸고 폴리머 전해질로 액체 전해질 보다 이온의 전도율이 떨어지는 점 저온에서의 사용 성능이 저하되는 등의 단점을 안고서라도 리튬 폴리머 배터리를 채택하는 이유이기도 하다.

이런 안정성을 조금 더 보완해 주는 것이 바로 배터리 케이스인데 자동차 부품은 주행 중 과격한 진동에 노출된다. 차도와 보도를 지날 때, 포장도로에서도 기복이나 노면의 이음매 등에서 차체는 진동을 받을 수 있다. 자동차의 가. 감 속에서는 앞이나 뒤로 끌어당겨지고 밀려지면서 힘이 가해지고 커브길에서도 역시 이러한 힘이 작용한다.

배터리는 대게 케이스와 함께 차량의 바닥면에 장착되는데 이것이 차체의 뒤틀림과 휨 등을 보강할 수 있는 보강재 역할도 하고 있는 셈이다.

출처 : Nissan

리튬 폴리머 배터리에는 5대 구성요소가 있다. 양극, 음극, 전해질, 분리 막, 케이스 등인데 여기에서 리튬 배터리 용 양극재에는 니켈, 코발트, 망간이 사용되는데 이것의 앞 글자를 따서 N, C, M이라고 하고 비율을 적절히 섞어 안정성과 성능을 결정짓는다.

 

출처 : SK 이노베이션

 

이에 따라 코나 EV나 니로 EV에는 NCM622의 리튬 폴리머 배터리를 채용하였다. 니로 EV는 NCM811을 쓰겠다고 하였지만 안정성과 범용적인 측면에서 문제가 될 소지가 있어 NCM622로 급선회 한 사례가 있다.

 

출처 : 한국수출입은행 해외경제연구소

자동차에 장착되는 배터리의 제조는 현재 우리나라, 중국, 일본 등이 생산하고 있는데 이중 우리나라에서는 LG화학과 삼성SDI가 독보적인 존재이다.

 

LG화학 전기차용 리튬이온 폴리머 배터리 | 출처 : LG화학

SK이노베이션 역시 전기 차용 배터리를 생산하고 있지만 아직은 LG화학과 삼성SDI가 앞서고 있다. 특히 LG화학은 최근 들어 케파 증설 계획에 따라 자금을 조달하고 있으며 이에 따라 신용등급 평가 기관인 S&P는 LG화학의 신용등급을 부정적으로 평가하기도 하였다. (그렇다고 해서 나쁘다는 이야기는 아니다)

LG화학은 2019년 약 6조 원 규모의 설비투자를 계획하고 있고  이는 S&P의 기존 예상치와 동사의 2011~2017년 평균 연간 투자 규모인 1조~2조 5000억 원을 2~6배가량 웃도는 수준이다.

이번 설비투자를 통해 LG화학은 배터리 생산능력을 2018년 말 기준 35GW에서 2020년 100GW로 확대하고, 여수 석유화학 공장 증설도 2021년까지 완료할 계획이다. LG화학의 2018년 실제 설비투자 규모는 초기 예상치에 비해 21% 증가한 4조 6000억 원이었다.

우리나라 기업에서 이렇게 케파를 증설하는 이유는 현재의 배터리 생산능력으로 전기차의 생산량을 따라가기 부족해 보이기 때문이다. 우리나라만 놓고 보면 그렇지 않을 수 있지만 수출 물량과 내수 물량 등을 종합해 볼 때 기업적 측면에서 보면 케파를 늘려야 원활한 공급이 될 수 있다고 보고 있기 때문이다.

 

LG화학의 해외 사업장 현황. 앞으로 배터리 관련 해외 사업장이 늘어날 것으로 보인다. | 출처 : LG화학 홈페이지

 

배터리는 산업적으로 보아도 효자산업으로 등극할 가능성이 높다. 반도체가 우리나라의 최대 먹거리 사업인 것처럼 앞으로는 반도체와 함께 배터리 역시 맹활약 할 것으로 기대된다.

배터리 산업이 기대되는 부분은 전기차 산업이 이제 발아기를 지나 유아기에 접어들었기 때문이다. 즉 성장기 이전의 산업이기 때문에 발전 가능성이 무궁무진하기 때문이다. 배터리의 기술력 역시 점차 발전 중인 상태이고 배터리의 발전은 전기차의 주행 가능 거리의 발전과 더불어 성능 향상에 지대한 영향을 미치기 때문이다.

지금 현재의 시점으로만 놓고 보아도 이미 기술 개발은 되어 있으나 위험성, 경제성 등이 확보되지 않아 상용화가 되지 못하고 있는 배터리 기술력이 있기 때문에 이것만 극복한다면 1회충전으로 주행가능거리가 5~6백Km이상 주행가능하고 충전이 지금보다는 빨리되는등 여러가지 기술 향상이 기대된다. 만약 이렇게 된다면 앞으로 배터리와 전기차 산업은 성장기를 맞이하게 될 것으로 보인다.

 

마키님
전기차에 관심이 많은 실제 전기차 유저

 

전기차의 모터와 내연기관 엔진의 차이점