배터리 혁명이 세계 부의 판도를 바꿀 것이다.Part3
배터리 섹터
전기차 배터리(이차 전지)가 세계 부의 판도를 바꾼다 Part.3
전기차 배터리Part 2에서 원초적인 재료인 리튬 광산부터 시작해서 배터리 제조 및 공정에 이르기까지 얼마나 까다로운 절차를 거쳐야 하는지에 대해서 알아보았다.
그래서 여러 가지 환경과 지리적인 여건들이 충족이 되어야만 우리가 원하는 리튬의 공급을 충분히 늘릴 수 있는 것들을 알 수 있었다. 그래서 리튬 공급을 경제성과 효율성 있게 늘리기 어려운 이유 중에 하나였다.
그러면 앞으로 배터리가 효율이 높아지고 에너지 밀도가 높아지는 것에 대한 중요성은 점점 대두될 가능성이 높다. 왜냐하면 리튬의 생산량은 한계에 도달할 예정인데 생산량만큼 발맞춰 배터리도 효율성이 높아져야만 부족한 생산량에 대한 기대효과를 채울 수 있기 때문이다.
그래서 지금까지 전기차 경쟁에서 우위를 차지하기 위해선 1회 충전 할 때 얼마나 멀리 갈 수 있는지가 가장 중요했다. 초기 전기차 회사들이 1회 충전 시 주행거리 100km 정도만 충전할 수 있었을 때 테슬라는 1회 충전 시 400km 전기차를 출시하게 되면서 전기차 선두주자로 앞서나갔다.
당시에 전기차 충전소는 많지 않았고, 소비자가 전기차 선택 할 때 가장 비중 있게 보는 것 중에 하나가 주행거리와 충전속도였다. 그래서 전기차 시장에서 대한민국이 만드는 3원계 배터리가 중국의 인산철 배터리를 손쉽게 이길 수 있었다.
그렇다면 이렇게 생각할 수 있다. 3원계 배터리가 뭐길래 중국의 인산철 배터리를 손쉽게 이길 수 있는가 말이다. 그 이유는 배터리 기술은 에너지 밀도 향상이라고 생각하면 쉽다. 지금 현재 배터리를 효율성을 높이기 위해서 배터리 기술자들이 목숨 걸고 목매는 이유가 바로 에너지 밀도 향상 때문이다. 현재 배터리 기술자들이 평생의 업으로 하고 있는 일이기도 하다.
에너지밀도 = F/m(에너지/질량) = a(가속도)
에너지 밀도는 배터리에 1kg 당 얼마만큼의 에너지를 저장할 수 있는 척도이다. 그래서 에너지 밀도는 에너지와 질량에 따라서 가속도(전기차 성능)에 직결된다고 볼 수 있다. 왜냐하면 F(힘) = m(질량) x a(가속도)에 비례하기 때문이다.
전기차 배터리 에너지 밀도 변화 추이그렇기에 에너지 밀도가 진짜 우리가 배터리를 사용하는 전기차 회사나 배터리 제조사들이 반드시 걸고넘어져야 할 필수적인 요소이고 에너지 밀도를 안고 가야만 앞으로 일류 기업으로 갈지 삼류 기업으로 가게 될 것인지, 기업의 미래가치를 반영할 수 있는 핵심 요소이기 때문에 엄청나게 중요하다고 할 수 있다.
3원계 배터리와 인산철 배터리를 비교해 본다면 삼원계 배터리는 인산철배터리와 무게가 같다고 할 때 2배 정도 더 많은 에너지를 배터리에 저장할 수 있으며, 에너지가 같다고 본다면 삼원계 배터리가 인산철 배터리보다 0.5배 더 가볍다.
그렇다면 3원계 배터리는 인산철 배터리보다 무게가 같다고 하면 더 많은 에너지를 저장하고 더 가볍다는 말이다. 그렇다면 이에 따른 장점들을 생각해 본다면 더 많은 에너지 밀도를 통하여 더 많은 에너지 충전을 확보를 할 수 있어 1회 충전 시에 주행거리를 많이 늘릴 수 있으며, 전기차의 속도 또한 인산철 배터리보다 무게가 가벼우므로 가속력을 더 빠르고 소비자가 느끼는 전기차 탑승감도 훨씬 높아지게 되며, 전기차에 들어가는 배터리가 더 적게 넣을 수 있으므로 짐도 인산철 배터리 전기차보다 더 많이 실을 수도 있고, 실내 공간도 더 넓게 확보도 가능하며 이 외에도 다른 여러 가지로 활용도를 높일 수 있다.
현재는 중국에서는 정치적인 이유로 중국의 인산철 배터리를 밀어주고 있지만 점점 시간이라는 요소가 가미될수록 수요와 공급에 맞게 소비자들은 에너지 밀도가 높고 효율성이 높은 배터리를 선택할 수밖에 없으며 중국 내에서만 인산철 배터리만 사용하다가 역사적으로 사라지게 될 이유다.
하지만 최근에는 중국의 인산철 배터리가 3원계 배터리를 이길 수 있다고 하는 여러 가지 이유로 언론에서 언급을 하고 있지만, 중국 내에서 전기차 시장이 빠르게 성장하고 있으며 이에 따라서 현재 인산철 배터리의 수요와 공급이 높아져 있기 때문에 그렇게 보이는 것뿐이지 전기차 기업이 살아남기 위해서는 근본적인 해결방안으로 배터리 효율성이 얼마나 중요한지에 대해 정확한 사실에 입각하지 않고 언급하는 것이기에 우리는 진짜로 중요한 사실이 무엇인지 올바르게 바라봐야 할 시각을 가질 필요가 있다.
이로 인해 두 배터리의 개발 방향은 정반대다. 삼원계는 높은 에너지 밀도를 기반으로 가격을 낮추려는 노력을 펼치는 반면, 인산철 배터리는 낮은 가격을 유지하면서 에너지 효율을 높이는 데 집중을 하는 것이다.
전기차 화재하지만 이렇게 에너지 밀도도 높고 효율성도 높은 3원계 배터리의 가장 큰 문제가 하나가 있다. 바로 배터리 화재로 인한 문제이다. 화재에 큰 원인 중에 하나는 니켈이 들어가기 때문에 아직까지 화재 측면에서는 불안정하는 것이 단점 중에 단점이다.
니켈은 배터리에 들어가는 하나의 소재이니 어쩔 수 없지만 근본적인 화재의 원인은 크게 2가지가 있는데, 첫 번째로 과열이고 두 번째는 과충전이다. 배터리 과열의 원인은 기상 조건이나 배터리 내부 냉각장치 오작동 등 다양한 원인에 의해 배터리 외부 열원에 의해 배터리의 온도가 증가하게 된다. 온도가 일정 이상으로 가열될 경우 배터리 내부 온도가 증가되며 전해액과 분리막이 분해 온도 이상일 경우 분해가 되어 가스가 생성된다. 이로 인해서 가스로 인하여 내부 압력이 증가하게 되고 내부 온도가 분리막의 녹는점 이상이 되면 내부 단락이 일어나며 열폭주가 발생하여 화염과 함께 분출이 일어나게 되는 것이다.
두 번째로는 배터리의 과충전이 있다. 배터리 과충전 시 가용한 리튬 이온이 부족해지면서 내부 전해액이 분해되며 가스가 생성된다. 이러한 가스들로 인하여 배터리 내부 압력이 증가하게 되고, 압력이 지속적으로 증가하다 보니 증가한 압력으로 인한 내부 단락이 일어나게 되어 열폭주가 일어나 화염이 분출하게 된다.
그래서 이 부분들을 해결하기 위해 3원계 배터리는 셀을 모듈로 감싸면서 몇 개의 모듈을 여러 번 모아서 팩을 만드는 방식을 통하여 안정성을 확보하고 있다. 결국에는 포장을 이중으로 해서 배터리의 충격으로부터 보호한다는 말이다. 이러한 배터리 팩을 구축하는 방식은 복잡하기 때문에 기술력이 필요했고 3원계 배터리를 만드는 대한민국 배터리 기업들의 큰 경쟁력이 되었다.
하지만 이번 배터리 데이 때 테슬라가 충격적인 발표를 하였다.
To be continue~
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