본문내용
1. 전기차 배터리 개요
1.1. 배터리의 개념 및 성장배경
배터리는 화학 에너지의 직접 변환에 의해 발생되는 모든 전기 에너지원으로 정의된다. 배터리는 하나 이상의 기본 배터리 셀 또는 하나 이상의 보조 배터리 셀로 구성되어 있다. 전기자동차 배터리는 첨단 소재 분야에 속하는 기술로, 배터리 전기자동차 (BEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV) 및 하이브리드 전기자동차 (HEV)에 전원을 공급하는 데 사용되는 충전식 배터리를 말한다.
전기자동차 산업은 설계, 기능, 엔지니어링 및 배터리 기술의 지속적인 개발로 빠르게 발전하고 있다. 자동차로 인한 배기가스에 대한 정부 규제가 엄격해짐에 따라 자동차 산업은 효율성, 배기가스 없는 엔진 등과 같은 혁신적인 기술에 초점을 맞추고 있다. 이에 따라 최근 전기자동차 시장의 발전으로 성능이 향상된 배터리가 도입되고 있으며, 이 배터리는 전기자동차의 성능을 향상시킬 것으로 기대되고 있다.
하지만 전기자동차 충전 시간의 소요, 높은 배터리 가격, 배터리 수명 및 충전소의 이용 가능성과 같은 요인은 전기자동차의 성장을 방해하는 요소로 작용하고 있다. 따라서 전기자동차 배터리 제조업체는 고속 및 급속 충전 솔루션 및 첨단 배터리를 개발하여 이러한 문제를 극복하는 데 주력하고 있다.
1.2. 전기차 배터리의 구성 및 종류
전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성된다. 셀은 가장 작은 단위로 배터리의 전반적인 성능에 중심적 역할을 한다. 모듈은 배터리 셀을 외부 충격으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 것이다. 이 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS)과 냉각장치 등을 추가한 것이 팩이다. 최종적으로 배터리는 전기차에 하나의 팩으로 장착된다.
현재 전기차에 대중적으로 사용되는 배터리는 이차전지의 일종인 리튬이온 배터리다. 이차전지는 계속 충전해 사용할 수 있는 배터리로, 방전되면 재사용이 불가능한 일차전지와 다르다. 리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 양극, 음극, 전해액, 분리막이다. 양극과 음극이 배터리의 기본 성능을, 전해액과 분리막은 배터리의 안정성을 결정한다.
그 외에 전기차 배터리의 종류로는 전고체 배터리, LFP 배터리, 마그네슘이온 배터리, 리튬메탈배터리, 리튬황배터리 등이 있다. 전고체 배터리는 전해질이 고체 상태로 구조적으로 단단하고 안정적이며 폭발 위험성이 낮다. LFP 배터리는 철과 인산을 양극재로 사용해 가격이 저렴하고 안정성이 높다. 마그네슘이온 배터리는 에너지 밀도가 리튬 배터리의 2배 이상이나 아직 상용화까지 기간이 필요하다. 리튬메탈배터리는 폭발 위험이 낮고 에너지 밀도가 높은 편이다. 리튬황배터리는 황을 양극재로 사용해 에너지 밀도가 매우 높다.
이처럼 전기차 배터리는 다양한 종류가 개발되고 있으며, 각각 고유의 장단점을 가지고 있다. 향후 기술 혁신에 따라 배터리 성능이 지속적으로 향상될 것으로 예상된다.
2. 전기차 배터리 기술개발 동향
2.1. 주요 배터리 기술별 현황 및 특징
리튬이온 배터리는 안정성, 에너지 효율성, 가성비에 따라 현재 시장에서 가장 인기가 높은 배터리 기술이다. 리튬이온 배터리는 2차 전지 중에서 가장 대중화된 전지로, 리튬의 이온이 양극에서 전해질을 통해 음극으로 가면 충전, 반대 흐름이면 방전되는 원리로 작동한다. 리튬을 기반으로 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등을 조합해 양극재로 사용하며, 한국 기업들이 주로 만드는 '삼원계' 배터리는 세 가지 원소가 들어간다고 해서 붙은 이름이다. 이러한 리튬이온 배터리 기술의 양극과 음극 사이를 리튬이온이 이동하면서 발생시킨 전자의 움직임이 전기를 만들어낸다. 1991년 일본 소니가 최초로 양산에 성공한 이후 스마트폰과 전기차 등에 사용되며 2차 전지계의 대세가 되었다.
전고체 배터리는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다. 전해질이 고체 상태인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있어 폭발이나 화재 위험에서 자유롭다. 또한 1회 충전으로 최대 800km 이상을 주행할 수 있고, 배터리를 80%까지 충전하는 데 약 5분밖에 걸리지 않는 장점이 있다. 그러나 전고체 배터리는 2025년 이전에 상용화될 가능성이 거의 없는 것으로 평가된다.
LFP 배터리는 리튬·인산·철 배터리로 한국의 '삼원계'에 대항하는 중국 배터리 기업의 주력 제품이다. LFP 배터리는 코발트 대신 가격이 저렴한 철·인산을 사용하여 가격이 삼원계의 70~80% 수준으로 저렴하고 안정성이 높은 것이 장점이다. 그러나 부피가 크고 에너지 밀도가 낮아 주행 가능 거리가 삼원계의 절반 정도인 단점이 있었다. 하지만 중국 기업들이 기술 개발을 통해 이를 70% 수준까지 끌어올리면서 전기차 1위 기업 테슬라가 전 세계 보급형 모델에 LFP 배터리를 장착하기로 했다.
마그네슘이온 배터리는 리터당 에너지 밀도가 리튬 배터리의 2배 이상인 1000Wh(와트시)를 넘는 소재로 주목받고 있다. 현재 마그네슘이...
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