다음 10년을 기대하게 만드는 5가지 전기 자동차 배터리 기술

"배터리 혁신"이라는 주장은 넘쳐나지만, 실험실을 벗어나 전기 자동차에 적용된 기술은 거의 없습니다. IDTechEx의 프라나브 자스와니와 블룸버그NEF의 에벨리나 스토이쿠 같은 전문가들은 Wired와의 인터뷰에서 작고 적절한 개선이 큰 변화를 가져올 수 있지만, 안전 요건, 제조 검증, 그리고 재정적 타당성 때문에 실현되기까지는 수년이 걸리는 경우가 많다고 말했습니다.

리튬이온은 여전히 EV 시대의 중추입니다.

지금까지 큰 진전은 리튬 이온 배터리를 중심으로 이루어졌습니다. 에벨리나 스토이코우는 "리튬 이온은 매우 성숙된 기술입니다."라고 말합니다. 투자 규모와 기존 공급망 때문에 다른 화학 물질들이 향후 10년 안에 따라잡기 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 프라나브 자스와니는 성분이나 공정을 한 번만 변경해도 주행 거리가 약 80km(50마일) 늘어나거나 제조 비용이 절감되어 자동차 가격을 낮출 수 있다고 말합니다.

실질적인 변화를 가져올 수 있는 5가지 단계

LFP: 비용 절감, 안정성 유지

중요 이유: 리튬 인산철(LFP) 배터리는 값비싸고 채굴이 어려운 니켈과 코발트 대신 철과 인산철을 사용합니다. LFP는 더 안정적이며, 여러 번 충전해도 분해 속도가 더 느립니다.

잠재적 이점: 배터리 비용 및 차량 가격 인하 - 특히 전기차가 가솔린 자동차와 경쟁하는 상황에서 중요한 요소입니다. LFP는 이미 중국에서 인기가 높으며, 향후 몇 년 안에 유럽과 미국으로 확산될 것으로 예상됩니다.

과제: 다른 옵션에 비해 에너지 밀도가 낮고 배터리 팩당 주행 거리가 짧습니다.

NMC의 높은 니켈 함량: 범위는 더 넓고 코발트는 더 적음

중요 이유: 리튬 니켈 망간 코발트의 니켈 함량을 높이면 크기/무게를 늘리지 않고도 에너지 밀도와 주행거리가 증가합니다. 또한, 값비싸고 윤리적으로 논란이 많은 금속인 코발트의 사용량을 줄일 수 있습니다.

과제: 안정성 저하, 균열 또는 폭발 위험 증가, 더욱 엄격한 설계 및 열 제어 요구로 비용 증가. 고급 전기차에 더욱 적합.

건식 전극 공정: 용매 최소화, 생산 효율 향상

중요 이유: 건식 전극 기술은 재료를 용매와 혼합한 후 건조하는 대신, 코팅 및 라미네이션 전에 건조 분말을 혼합합니다. 용매 사용량을 줄이면 환경, 건강 및 안전 위험이 감소합니다. 건조 단계를 없애면 처리 시간이 단축되고 효율성이 향상되며 제조 공간도 절약되어 비용이 절감됩니다.

배치 상태: 테슬라가 양극에 적용했고, LG와 삼성SGI가 라인을 테스트하고 있습니다.

과제: 건조 분말 가공은 기술적으로 복잡하여 대량 생산을 안정화하기 위해 미세 조정이 필요합니다.

셀투팩: 볼륨을 활용하고 약 80km 추가

중요 이유: 모듈을 생략하고 셀을 배터리 팩에 직접 배치함으로써 동일한 공간에 더 많은 셀을 탑재할 수 있습니다. 프라나브 자스와니에 따르면, 이 기술은 약 80km의 주행 거리를 늘리고 최고 속도를 향상시키는 동시에 제조 비용을 절감할 수 있습니다. 테슬라, BYD, CATL이 이미 이 기술을 사용하고 있습니다.

과제: 모듈 없이는 열 불안정성과 구조적 강도를 제어하는 것이 더 어렵고, 결함이 있는 셀을 교체하는 것도 복잡해지며, 심지어 클러스터 전체를 열거나 교체해야 할 수도 있습니다.

실리콘 양극: 고밀도 에너지, 6~10분 빠른 충전

중요 이유: 흑연 음극에 실리콘을 첨가하면 저장 용량(주행 거리)이 증가하고 충전 속도가 빨라져 완전 충전까지 6~10분밖에 걸리지 않을 수 있습니다. 테슬라는 이미 실리콘을 일부 혼합했으며, 메르세데스-벤츠와 제너럴 모터스는 양산 단계에 근접했다고 밝혔습니다.

과제: 실리콘은 주기적으로 팽창/수축하여 기계적 응력과 균열을 유발하고, 이로 인해 시간이 지남에 따라 용량이 감소합니다. 이는 현재 휴대폰이나 오토바이에 사용되는 소형 배터리에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다.

기술	주요 이점	도전	상태
LFP	저렴한 비용, 안정적이고 느린 분해	낮은 에너지 밀도	중국에서 인기, EU/US에서도 증가 예상
고니켈(NMC)	밀도 증가, 코발트 감소	안정성이 낮고 열 제어 비용이 높음	고급차에 적합
건조 전극	용매 감소, 효율성 증가, 비용 절감	건조 분말 취급의 기술적 과제	테슬라(양극) ; LG, 삼성 SGI 테스트
셀-투-팩	~80km 범위 추가, 비용 절감	열 제어가 어렵고 수리가 어렵습니다.	테슬라, BYD, CATL 애플리케이션
실리콘 양극	더 긴 범위, 6~10분 빠른 충전	팽창으로 인해 균열이 생기고 용량이 감소합니다.	대량 생산에 접근하다

유망한 기술이지만 아직 시장 진출까지는 멀다

나트륨 이온: 구하기 쉽고 저렴하며 열에 안정적입니다.

중요 이유: 나트륨은 리튬보다 저렴하고 풍부하며 가공이 용이하여 공급망 비용을 절감할 수 있습니다. 나트륨 이온 배터리는 극한 온도에서도 안정성이 뛰어나고 성능이 우수한 것으로 보입니다. CATL은 내년에 양산을 시작할 예정이며, 이 배터리는 중국승용차 시장의 최대 40%를 차지할 수 있을 것으로 예상합니다.

과제: 나트륨 이온은 더 무겁고 에너지 밀도가 낮으며, 고정형 저장에 더 적합합니다. 이 기술은 아직 초기 단계에 있으며, 공급업체도 적고 검증된 공정도 부족합니다.

고체 전지: 밀도가 높고 안전하지만 제조가 어려움

중요 이유: 액체/겔 전해질을 고체 전해질로 교체하면 밀도가 높아지고, 충전 속도가 빨라지며, 수명이 길어지고, 누액 위험이 줄어듭니다. 토요타는 2027년이나 2028년에 고체 배터리를 탑재한 자동차를 출시할 것이라고 밝혔습니다. 블룸버그NEF는 2035년까지 고체 배터리가 전기차 및 저장 장치 생산량의 10%를 차지할 것으로 예측합니다.

과제: 일부 고체 전해질은 저온에서 성능이 좋지 않습니다. 제조에는 새로운 장비가 필요합니다. 결함 없는 전해질 층을 만드는 것이 어렵습니다. 전해질 선택에 대한 업계의 합의가 부족하여 공급망이 어렵습니다.

놀라운 아이디어지만 대중화하기 어려움

무선 충전: 최대의 편의성, 비용 장벽

중요한 이유: 일부 제조업체에서는 플러그인이 필요 없는 주차 및 충전이 곧 가능해질 것이라고 말하고 있으며, 포르쉐는 내년에 상용 버전을 출시할 계획으로 프로토타입을 선보였습니다.

과제: 프라나브 자스와니에 따르면 유선 충전은 이제 효율적이고 설치 비용도 훨씬 저렴해졌습니다. 무선 충전은 버스가 부두에 정차한 상태에서 노선을 따라 충전하는 것처럼 일부 틈새시장에서 활용될 수 있지만, 주류로 자리 잡을 가능성은 낮습니다.

결론: 기대는 타당하지만 진화에는 시간이 걸립니다.

오늘날 가장 유망한 배터리 기술은 대부분 리튬 이온 시스템 내에서 최적화되어 있습니다. 비용 절감을 위한 LFP(리튬인산철), 밀도 향상을 위한 고니켈, 제조 비용 절감을 위한 건식 전극 및 셀-투-팩(Cell-to-Pack), 충전 속도 향상을 위한 실리콘 음극 등이 있습니다. 한편, 나트륨 이온과 고체 전해질은 장기적인 잠재력을 가지고 있지만 생산 과정에서 많은 난관이 있습니다. 전문가들이 강조하듯이, 작은 변화라도 전기 자동차에 적용되려면 최대 10년이 걸릴 수 있으며, 안전 기준과 경제적 고려 사항을 충족하는 개선 사항만이 시장에 출시될 기회를 얻게 됩니다.

출처: https://baonghean.vn/5-cong-nghe-pin-xe-dien-dang-ky-vong-trong-thap-ky-toi-10310384.html