EV배터리의 모든 것
잘못과 생각
전기차의 역사
1888년에 독일 엔지니어인 안드레아스 플로켄(Andreas Flocken)에 의해 최초의 전기 자동차가 등장합니다. 그로부터 100년이 지난 2003년에 전기 자동차만을 생산하는 테슬라가 설립되고, 2018년 CES의 핵심 주제로서 자율주행과 전기차 기반의 모빌리티가 부상합니다. 이제는 도로에서 전기차를 쉽게 볼 수 있고, 수요에 맞춰 충전소도 늘어나고 있습니다.
그런데 왜 기존의 안정적인 내연기관에서 전기차로 변화하려고 시도하는 걸까요? 제한된 자원 때문에? 아니면 환경오염 때문에? 네, 모두 맞습니다. 하지만 기술적 측면에서 본다면 전기차 생산으로 산업이 변화하고 있는 이유는 다음과 같습니다.
전기차의 장점
전기차는 다음과 같은 장점이 있습니다.
1. 배기가스 zero
배터리의 구동능력으로 자동차가 움직이기에 내연기관 자동차와 비교하여 배기가스가 없다는 특징이 있습니다.
2. 노이즈 zero
흡입, 압축, 폭발, 배기와 같은 4 행정 기관에선 노이즈가 발생할 수밖에 없습니다. 폭발할 때 소리가 나니까요. 그런데 전기차에서는 이러한 노이즈가 발생하지 않습니다. 전기차에서도 웅~ 하는 모터가 돌아가는 소리가 나던데요? 하실 수도 있지만, 그건 사실 ‘일부러’ 만들어내는 소리입니다. 바로 VSP (Vehicle Sound for Pedestrians)가 발생시키는 소리인데요, 저속에서 보행자가 차의 움직임을 인지할 수 있도록 하기 위함입니다. 차가 바로 근처에서 움직이고 있는데도 전혀 알아차리지 못한다면 큰 사고로 이어질 수 있기 때문입니다.
3. 기어변속 진동 zero
내연기관에서는 속력에 따라 기어가 변속됩니다. 그러나 전기차에서는 이러한 변속이 필요 없습니다. 즉, 변속에 따른 진동 충격도 없습니다.
4. 빠른 가속력과 다이내믹한 주행 특성
내연기관 차량과 달리 전기차는 회전 속도와 상관없이 최대 토크를 거의 즉각적으로 전달할 수 있어, 가속력이 매우 빠르고 반응이 즉각적입니다. 그리고 전자적으로 출력을 정밀하게 제어할 수 있어서, 주행 상황에 맞게 차량의 반응을 최적화하고, 보다 다이내믹하고 안정적인 주행을 가능하게 합니다.
EV 배터리 가격 흐름
이렇게 보니 전기차로 가는 게 시대의 흐름 같지요? 그래서 EV 배터리의 중요성도 점점 커져가고 있습니다. 전기차의 부품 비용 구성을 살펴보면 배터리가 차지하는 비율이 전체의 40% 정도에 달합니다. 만약 배터리가 역내산으로 인정되지 않는다면 수출 FTA 관세혜택을 받기 어렵다는 뜻이기도 합니다.
세계 최대 EV 배터리 제조 기업인 CATL과 BYD에서는 2023년 말 대비 2024년 올해에 가격을 50% 인하하겠다고 발표하였습니다. 그러면 전기차의 가격 또한 많은 폭으로 떨어지게 될 것입니다. 내연기관 대비 높은 단가로 인해 형성되었던 진입장벽이 낮아지는 결과를 가져올 것으로 기대합니다.
출처: Clean TechnicoEV 배터리 제조 기업 순위
2023년 세계 리튬 이온 배터리 생산 용량은 2,000 GWh을 넘어섰습니다. 그리고 그중 80%가 중국에서 생산되었습니다. 사실상 중국이 배터리 시장을 독차지하고 있다고 해도 과언이 아닐 정도입니다. 이러한 수치는 판매량과 밀접한 연관이 있습니다.
출처: IEA (주황색이 중국, 노란색이 한국입니다)그런데 이 가운데서도 한국 기업들이 선전하고 있는 것을 볼 수 있습니다. 어떤 기업들이 활동을 펼치고 있을까요? 아래의 데이터를 보면서 좀 더 살펴보겠습니다.
2023년 세계 EV 배터리 판매 수요를 보면 중국이 50%를 넘어섭니다. 이처럼 시장 규모가 다른 지역에 비해 월등히 크다 보니 자연스레 배터리 산업은 중국으로 집중될 수밖에 없는 것으로 보입니다.
출처: IEA (빨간색이 중국입니다)글로벌 Top 10 배터리 제조사의 시장 점유율을 비교해 보면 대부분 중국 기업인 것을 볼 수 있습니다. 그런데 여기에 보면 열악한 환경 속에서도 큰 활약을 펼치고 있는 한국 기업들이 확인됩니다. LG 에너지솔루션이 CATL, BYD와 더불어 1~3위를 다투고 있습니다. 그리고 SK On, 삼성 SDI도 보입니다. 한국의 경쟁력이 다시 한번 크게 느껴집니다. (대한민국 파이팅!)
출처: CNEVPOST (10대 기업의 대부분이 중국 기업입니다)LFP vs NCM
EV 배터리는 리튬(Li)과 인산철(FePO4)을 양극재로 사용하는 LFP 배터리 (리튬인산철 계열), 그리고 니켈(Ni)과 코발트(Co), 망간(Mn)을 섞어서 양극재로 사용하는 NCM 배터리 (삼원계)로 나누어집니다.
양극재 (Cathode material)는 금속산화물로 이루어져 있습니다. 어떤 배터리냐에 따라 금속 산화물 종류가 다릅니다. 충전 시에 양극재의 Li+ 이온이 전위가 낮은 음극재 (Anode material)로 이동합니다. 음극재는 흑연으로 구성되어 있으며, 이동해 온 Li+ 이온을 저장하고, 방전 시에 방출하는 역할을 합니다. 흑연 대신에 실리콘을 이용한 구조도 연구되고 있습니다.
NCM 배터리는 LFP 배터리에 비하여 에너지 밀도가 높습니다. LFP 배터리의 최대 에너지 밀도를 170Wh/kg이라고 하면 NCM 배터리는 340Wh/kg 정도로 볼 수 있습니다. 네, 곱하기 2배로 생각하면 됩니다. 대신 NCM 배터리는 안정성이 LFP 배터리에 미치지 못합니다. 그 이유는 화학적 성질과 결정 구조에서 기인합니다.
NCM 배터리는 층상 구조 (layered structure)를 가지며, Li+ (리튬) 이온이 층 사이를 이동하면서 충전과 방전이 이루어집니다. 이 구조는 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 층 사이의 결합이 약한 단점이 있습니다. 이로 인해 구조적 안정성이 떨어지고, 고온에서 열폭주 위험이 증가합니다.
반면에 LFP 배터리는 올리빈 구조 (olivine structure)를 갖고 있습니다. 층상 구조에 비하여 매우 안정적입니다. 3차원 네트워크 형태로 Li+ 이온이 이동할 수 있는 터널을 형성합니다. 구조가 견고하다 보니 충방전 과정에서 구조적 변화가 거의 없고, 이는 고온에서도 안정성을 유지하게 만들어 줍니다.
그리고 비용은 NCM 배터리가 더 비쌉니다. 사용되는 소재 가격 자체가 비싸기 때문이기도 합니다.
2024년 7월 18일 기준, 코발트의 LME Offer (매도가)는 26,185 $/Ton, 니켈은 16,205 $/Ton입니다.
https://www.lme.com/ 사이트에서 확인할 수 있습니다.
보통 LFP 배터리가 NCM 배터리보다 30% 저렴합니다.
그러면 LFP 배터리와 NCM 배터리의 특징을 아래와 같이 정리해 볼 수 있습니다.
LFP 배터리는 CATL, BYD 및 LG 에너지솔루션에서 생산하며, NCM 배터리는 삼성 SDI, SK On 및 LG 에너지솔루션에서 주로 생산합니다.
배터리의 가격은 양극재가 50%를 차지합니다. 양극재에 따라 배터리의 가격이 크게 달라지는 것이지요. 어떤 타입의 배터리를 생산하고 차량에 탑재하냐는 전략에 따라 결정됩니다.
양극재 생산 국가
양극재에 사용되는 주 원소재의 생산 국가는 다음과 같습니다.
니켈: 인도네시아(36%), 필리핀(13%), 러시아(9%), 기타
리튬: 호주(52%), 칠레(25%), 중국(13%), 기타
망간: 남아프리카공화국(35%), 가봉(23%), 호주(16%), 중국(5%), 기타
코발트: 콩고(73%), 인도네시아(5%), 호주(4%), 필리핀(3%), 기타
원소재 생산도 중국이 압도적일 것 같았는데, 의외의 결과입니다. 호주에 리튬이 많이 매장되어 있고, 콩고와 가봉에도 코발트와 망간이 많이 매장되어 있습니다. 이러한 자원을 국가 경제에 잘 활용한다면 많은 도움이 될 것 같습니다...!!
배터리 셀 타입
배터리 셀 (Cell)은 Pouch (파우치형), Cylindrical (원통형), 그리고 Prismatic (각형)으로 구분합니다.
출처: KEYENCE파우치 셀은 금속 캔 대신 알루미늄 래미네이트 필름으로 포장하기 때문에 무게와 부피를 줄일 수 있습니다. 그리고 고체 형태의 외장이 없어 다양한 형태로 만들 수 있고, 공간 활용도가 높습니다. 그렇기에 에너지 밀도도 높습니다.
원통형 셀은 강한 금속 캔을 사용하여 안정성과 내구도가 높지만, 외장이 차지하는 공간이 많이 생깁니다. 이로 인해 에너지 밀도가 낮습니다. 또한 고정된 크기와 모양으로 인해 배터리 팩 내에서 효율적으로 배치하기가 어렵습니다.
각형 셀은 직사각형 형태의 금속 케이스를 사용하여 팩 내의 공간을 원통형보다 효율적으로 사용할 수 있습니다. 파우치 셀과 원통형 셀의 중간 정도의 디자인 유연성을 갖고 있다고 할 수 있습니다. 에너지 밀도도 중간 정도입니다.
현대자동차에는 파우치 셀이 적용되고 있고, 중국 OEM에는 각형 셀을 많이 채택합니다. 그리고 유일하게 테슬라에만 원통형 셀이 적용되고 있습니다.
어려운 이유는 내 잘못 때문이 아니라 생각을 믿기 때문
성경 창세기 50장 17절에 이런 말씀이 있습니다.
"너희는 이같이 요셉에게 이르라. 네 형들이 네게 악을 행하였을지라도 이제 바라건대 그 허물과 죄를 용서하라 하셨다 하라 하셨나니 당신의 아버지의 하나님의 종들의 죄를 이제 용서하소서 하매 요셉이 그 말을 들을 때에 울었더라 -창세기 50:17"
형들은 요셉을 시기하여 채색 옷을 벗기고 광야 물 없는 구덩이에 던진 후, 앉아 음식을 먹다가 상인들에게 팔아버립니다. 그러고 나서 숫염소의 피를 옷에 적시고 아버지에게 갖고 가서 짐승이 그를 먹었다고 거짓말을 합니다. 하... 아무리 미워도 그렇지 자기 동생인데 어떻게 이렇게 험악한 일을 저지를 수 있었을까요? 그러고 보면 형들의 마음이 이해 갑니다. 자기들이 한 짓이 있으니까요...
그런데 요셉은 앞서 이런 이야기를 합니다.
"당신들이 나를 이곳에 팔았으므로 근심하지 마소서 한탄하지 마소서. 하나님이 생명을 구원하시려고 나를 당신들 앞서 보내셨나이다 -창세기 45:5"
"그런즉 나를 이리로 보낸 자는 당신들이 아니요 하나님이시라. 하나님이 나로 바로의 아비를 삼으시며 그 온 집의 주를 삼으시며 애굽 온 땅의 치리자를 삼으셨나이다 -창세기 45:8"
요셉은 형들이 자신에게 한 일들을 원한으로 받지 않았습니다. 그렇기에 형들에게 근심하지 말라고, 한탄하지 말라고 말합니다.
마지막에 형들이 요셉에게 하는 말을 보면, 형들이 어떤 마음을 갖고 지냈는지 생각할 수 있습니다. 불안하고 근심스러운 하루하루를 보냈을 것 같습니다. 형들이 그렇게 밖에 살 수 없었던 이유는 자신들이 한 짓 때문이 아니라, 요셉의 말을 듣지 않고 요셉이 자기들을 헤칠 거라는 자기 생각을 믿었기 때문입니다. 자신들의 생각이 고통스럽게 만든 것이지요.
생각이 나를 괴롭힐 때가 많습니다. 있지도 않은 일인데, 사실도 아닌데 마치 진짜인 것처럼 나를 혼란스럽게 만들고 어렵게 만듭니다. 이 생각이 정말 맞는 것인지 검증하고, 잘못된 것이라면 거르는 습관을 가진다면 마음이 평안해질 것이고, 새로운 일들에 더욱 힘 있게 도전할 수 있을 것입니다.
클래스101 오픈!
구매업무라 하면 종종 영업으로 생각하는 경우가 있습니다. 혹은 어떤 업무인지 잘 모르는 경우도 많고요. 구매업무는 쉽게 말하면 바이어 (Buyer)가 하는 일이라고 할 수 있습니다. 이러한 바이어의 업무를 정리해 보았습니다. 구매 직군에 취업을 준비하고 계신 분들께 많은 도움이 되길 바랍니다:)
