가파른 성장의 전기자동차의 핵심 '배터리'에 대해

 

전기차산업의 성장과 더불어 주목받는 기술이 있다. 전자기기 안에 들어가 모습을 감춘 ‘배터리’이다. 가벼워지고 오래가는 배터리는 어디에서나 누구와도 쉽게 연결할 수 있는 초연결사회의 기반이 되었다. 배터리 없는 세상을 상상한다면 사람은 220V와의 연결사회일 것이다. 배터리는 우리 삶의 여러 부문을 바꿨다. 이런 배터리에 대해 더 알아보고자 한다.

 

먼저, 핫한 리튬이온배터리 이전에 가장 많이 사용되었던 배터리는 무엇일까?에 대한 고민을 같이 나눠보고자 한다.

1990년대까지만해도 충전식 배터리는 주로 양극소재로 니켈을 이용했다. 이 원리는 스웨덴 과학자 융너가 1899년 최초로 발명한 것으로 알려져 있다. 융너가 만든 것은 니켈-천, 니켈-카드뮴 두 종류 였는데, 에디슨도 독자적으로 니켈-천 전지를 발명한 것으로 알려져 있다.

한때 니칼-카드뮴 배터리가 많이 사용됐었는데 당시 문제점이 있었다. 소위 ‘메모리 효과’라는 것이 존재했는데, 한번 충전했던 배터리를 완전히 방전시키지 않은 상태에서 충전하게되면 화학반응을 일으켰던 입자가 굳어져 전지의 충전용량이 줄어드는 현상이 생기는 것이다. 이때문에 사람들은 고의적으로 방전후 새롭게 충전하는 것이 꿀팁으로 전해지기도 했다. 향후 이 팁은 현 시대에는 잘못된 상식이다.

‘배터리를 오래 사용하기 위해 배터리를 0%까지 완전히 방전시킨 후에 충전하는 것이 좋다’라는 것을 여전히 조언하고 다니는 전문가도 있다. 이것은 완전히 틀린말이다. 니튬 배터리때만 존재하는 문제이며 현재 리튬이온배터리에서는 전혀 발생하지 않는다.

1990년 중반에는 니켈-수소 배터리가 인기를 끌었는데 ‘메모리 효과’를 개선한 점이 주요했다.니켈-수소 배터리는 모양을 비교적 자유롭게 만들 수 있으며 안정성이 높아 지금도 많이 쓰이고 있다.  이에 따라 AA형태의 충전식 배터리나 하이브리드 자동차의 배터리 등 폭넓게 쓰이는 중이다.

하지만 1990년 후반이 되면서 휴대전화와 노트북이의 보급도 늘어나기 시작했다. 이동성을 가진 전자기기 사용이 증가하자 니켈중심의 배터리는 한계가 분명하게 드러났는데 무엇보다 배터리 사용시간이 절대적으로 부족했다. 참고로 니켈계열 배터리를 장착한 초기 노트북의 사용시간은 1시간 정도였다.

이에 다시 주목받은 것이 바로 리튬 배터리다. ‘다시’라는 표현을 쓴 이유에 대해서는 이후에 서술하겠다.

 

그러나 당시 리튬의 안정성이 매우 낮은 것이 문제로 꼽혔다. 물과 닿으면 불이 붙거나 폭발할 정도로 안정성이 낮았다. 삼성전자의 갤럭시노트7 폭발사건도 이와 유사한 사례다.

이런 문제로 리튬 배터리의 원리 자체는 니켈배터리보다 훨씬 이전에 개발됐지만 실용화에는 계속 어려움을 겪었다. 

1970년대 엑손은 석유 이후 시대를 내다보면서 에너지 신기술의 기초연구를 적극 지원하게 되는데, 이 과정에서 2019년 노벨화학상을 받은 스탠리 휘팅엄 교수가 리튬이온배터리를 최초로 발명한다. 하지만 당시 리튬 보다는 니켈기반의 배터리가 각광을 받았고, 안정성 문제를 해결하지 못한 엑손은 리튬이온배터리를 외면한 것으로 추측한다. 타이밍만 좋았다면 석유기반회사에서 에너지기업으로 탈바꿈 할 수있는 기회였는데 말이다. 기술도 시대를 잘 타야한다. (리튬이온배터리를 처음으로 실용화 한것은 1991년 일본 소니사다.)

이후 지속적인 연구로, 리튬이온을 섞어 넣는 비율, 각종 화학물질의 조성을 변화시키며 안정성과 충전용량을 높이고 있다. 리튬이온배터리는 동일한 크기의 니켈 카드뮴배터리보다 용량이 3배 높고, 앞서 서술한 ‘메모리 현상’이 전혀 발생하지 않는다.

최근 출시된 전기차 배터리는 대부분 리튬 계열 배터리를 장착하고 있다. 리튬이온 배터리에 이어 차세대 배터리로 리튬에어, 리튬황 등의 기술도 연구되고 있다.

하지만 리튬이온배터리도 한계점을 갖고있다.  

(1) 리튬과 코발트 문제, (2)코발트 최대 생산국 콩고의 아동노동과 인권문제, (3)배터리 용량 문제 세 가지를 꼽을 수 있다.

코발트는 배터리의 안정성을 담당하는 재료지만, 값비싼 희토류 인데다 채굴 과정에서의 노동문제, 공급차질 등의 문제들이 불거지면서 대체해야 한다는 여론이 강하다. 테슬라도 마찬가지로 코발트가 들어가지 않은 배터리를 사용할 것이라고 선언했으며 업계에서도 코발트 비중을 90%이상 제거하기 위해 힘쓰고 있다.

또한, 현재까지 출시된 배터리들은 이론적인 에너지 용량의 30%수준 밖에 달성하지 못하고 있는데, 이는 니켈의 비중 때문이다. 배터리 용량향상을 위해서는 니켈의 비중을 높여야 하는데, 비중이 커질수록 안정성은 낮아진다.

안정성을 높이기위해서 마그네슘이나 알루미늄이 도움이 되나 용량면에서는 아쉽게 느껴진다. 최근 망간이 주목받고있다. 단가가 낮아 낮은 비용으로 용량을 높일 수 있다. 망간은 중국의 통제때문에 바나듐, 인산철 등에 대한 수요가 계속 늘어날 것으로 보인다.

더불어 다 쓴 배터리를 쉽게 해체할 수 있는 기술, 재활용하는 기술도 새로이 각광받고 있다. 전가치 시대에 꼭 갖춰져야 할 요소로 배터리 재활용 시장의 경우 27억달러에서 2027년 75억달러로 껑충 뛸 수 있다고 예상한다.

폐배터리 산업은 일반적으로 재활용(Recycling)과 재사용(Reuse)으로 나뉜다. 한 예로, 전기차 배터리는 충전능력이 초기 용량 대비 70% 이하가 되면 주행거리 감소, 충·방전 속도 저하 등 운행상의 이슈가 발생하기에 교체가 요구된다. 거꾸로 말하면, 교체 대상이 되는 배터리는 70% 수준의 용량을 확보하고 있는 셈이다. 

배터리시장의 선두주자는 대다수가 알고있으나,  배터리 해체 및 재활용 기술의 선두주자는 어느 기업이 있는지 잠깐 살펴보자.

미국 내 배터리 재활용 전문 기업인 리-사이클이 대표적이다. 뉴욕증권거래소에서 거래되는 스팩(SPAC·기업인수목적회사)인 PDAC와의 합병 계약을 맺고 있어 간접적으로 투자가 가능하다. PDAC 주가는 6월 한 달간 20.95% 올랐다.

SPAC(기업인수목적회사) 페리도트(Peridot Acquisition Corp.)가 리튬이온 배터리 재활용기업 리사이클(Li-Cycle)과 합병한다

합병 이후 사명은 리사이클 홀딩스(Li-Cycle Holdings Corp.)로 변경되며 NYSE(뉴욕증권거래소, New York Stock Exchange)에 상장될 전망이다. 기업가치는 약 16억 7,000만 달러(한화 약 1조 8,478억 원)로 추정된다.

추가로 전고체 배터리에 대해 조금 적자면,

도요타는 7일 공식 유튜브 채널을 통해 전고체 배터리를 탑재한 첫 전기차를 선보이며 "전고체 전지에 대한 특성을 고려해 하이브리드 차량부터 투입할 계획"이라고 밝혔다. 전고체 전지는 2차전지를 이루고 있는 양극과 음극을 비롯해 전해질 등이 고체로 이뤄진 전지를 뜻한다. 현재 전기차에 탑재되는 리튬이온 2차전지는 액체 상태의 전해질을 사용하기에 화재가 발생할 가능성이 있다.

전해질을 고체로 만들면 화재, 폭발 위험이 적을 뿐 아니라 충전 시간은 짧고 주행거리는 길어진다. 전기차 업계에서 전고체 전지를 꿈의 배터리, 게임 체인저라고 부르는 이유다. 도요타는 10년 전부터 전고체 전지 개발에 나서왔던 만큼 전 세계적으로 가장 앞선 기술을 확보하고 있다고 평가받고 있다. 다만 전고체 전지의 상세한 스펙이나 양산 계획 등에 대해서는 구체적인 내용을 밝히지는 않았다

토요타가 갖고 있는 전고체 배터리 특허는 1000개 이상으로 전세계 특허의 40%를 차지하고 있다

양산 목표 시점도 가장 빠르다. 타 업체들의 전고체 배터리 양산 시점은 2027~2030년으로 잡아뒀으나 토요타는 2025년을 목표로 하고 있다. 이를 위해 전고체를 포함한 배터리 개발에만 140억 달러를 투자할 계획이다

현재 만들어진 전고체 배터리는 안정성면에서는 이상적이기는 하나, 큰 에너지 용량까지 시현할 수 있을지에 대한 과제가 남아 연구 중이다.