전기 자동차 배터리 (2차 전지). 미래 교통 수단의 동력

 

화석 연료로 인한 기후 변화와 대기 오염에 대한 우려가 커지면서 전기 자동차(EV)의 인기가 점점 높아지고 있다. 2022년 전 세계 전기차 판매량은 전년 대비 68% 증가한 802만 대를 돌파했다. 전기자동차의 인기가 높아지는 것은 고무적인 일이지만, 전기자동차의 성공에는 동력을 공급하는 배터리가 필수적이라 할 수 있다. 이번에는 전기 자동차 배터리와 관련해서 사용되는 원자재의 종류, 배터리의 제조 공정, 효율을 개선하는 방법에 대해 살펴보자.

전기차 배터리 제조에 사용되는 원자재의 종류

전기 자동차 배터리에 사용되는 원자재는 사용되는 배터리 기술의 유형에 따라 달라질 수 있으며 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 흑연 등이 일반적인 재료로 사용된다. 다음은 각 재료에는 고유한 장단점 및 특징에 대해서 알아보자.

 

먼저 리튬은 모든 원소 중 전기 화학적 전위가 가장 높기 때문에 전기차 배터리에서 가장 많이 사용하고 있는 원재료 중 하나이다. 전기차에 사용되는 가장 일반적인 배터리 유형인 리튬 이온 배터리는 음극에 리튬을 사용한다. 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 수명이 길며 자가 방전율이 낮아 전기차에는 이상적인 선택이 될 것이다. 하지만 리튬의 공급이 제한되어 있고 추출 과정에서 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 것은 단점이 될 수 있다.

 

다음은 니켈이다. 니켈은 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 및 니켈-망간-코발트(NMC) 배터리와 같은 일부 전기차 배터리의 음극에 사용된다. 이러한 배터리는 높은 에너지 밀도와 고온에서 우수한 성능을 보여준다. 하지만 니켈은 낮은 독성의 물질이지만 장기간 노출되면 일부 사람들에게는 알레르기 반응을 일으킬 수 있다. 또한 니켈 추출 과정도 환경에 영향을 미칠 수 있다.

 

또 다른 재료로는 코발트가 있다. 코발트는 NCA 및 NMC 배터리를 포함한 일부 전기차 배터리의 음극에도 사용되며, 뛰어난 열 안정성과 높은 에너지 밀도를 제공하며 비교적 고가의 소재에 속한다.

 

그 외에도 망간과 흑연이 있다. 망간은 리튬-망간 산화물(LMO) 배터리와 같은 일부 전기차 배터리의 음극에 사용되며 비교적 저렴한 소재이다. 추출 과정에서 코발트 등 다른 소재에 비해 환경 피해가 적지만, LMO 배터리는 다른 유형의 배터리보다 에너지 밀도가 낮은 것이 단점이다. 그리고 흑연은 리튬 이온 배터리의 양극에 사용되며 뛰어난 안정성과 긴 사이클 수명을 제공하여 전기차 배터리에 가장 이상적인 선택이 될 수 있다.

 

 

전기 자동차 배터리의 제조 공정

전기차 배터리의 제조 공정은 복잡하며 여러 단계로 이루어진다. 전기 자동차 배터리의 제조 공정에는 셀 형성, 전극 준비, 셀 조립 및 테스트를 포함한 여러 단계가 포함되는데 각 단계에 대한 개요는 다음과 같다.

첫 번째는 셀 형성 단계이다. 이 단계에서는 개별 배터리 셀을 생성한 다음 최종 배터리 팩으로 조립한다. 이 공정은 일반적으로 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄을 포함하는 원료를 슬러리에 혼합하는 것으로 시작된다. 그런 다음 이 슬러리를 금속 호일 위에 코팅하고 건조시킨 후 결과물을 말아서 젤리롤과 같은 구조로 만든 후 이 젤리롤을 원통형 금속 케이스에 삽입하고 케이스의 끝을 용접하여 닫는다.

다음 단계는 배터리 셀에 사용될 전극을 준비하는 것이다. 전극 재료는 일반적으로 리튬과 코발트의 혼합물로 만들어지지만 니켈 및 망간과 같은 다른 재료도 사용할 수 있다. 전극 재료는 금속 호일 위에 코팅한 다음 건조시킨다.

그다음 단계는 배터리 셀을 조립하는 것이다. 여기에는 준비된 전극을 젤리롤이 들어 있는 금속 케이스에 넣는 작업이 포함된다. 전극이 제자리에 배치되면 분리막 재료를 추가하고 전해질 용액으로 셀을 채워준다. 셀이 조립되면 필요한 사양을 충족하는지 확인하기 위해 엄격한 테스트를 거치게 된다. 이 테스트에는 용량, 전압, 사이클 수명 등 셀의 성능 측정이 모두 포함된다. 테스트와 승인을 거친 셀은 배터리 팩으로 조립되게 된다. 팩에 포함된 셀의 수는 특정 애플리케이션에 필요한 배터리 크기에 따라 달라진다. 셀은 원하는 전압과 용량을 달성하기 위해 직렬 및 병렬 구성으로 연결하고 그런 다음 배터리 팩이 필요한 사양을 충족하는지 확인하기 위해 다시 테스트를 거치면 완전한 배터리로 생산이 된다.

 

 

전기차용 배터리의 효율을 높이는 방법

전기차 배터리의 효율을 개선하는 것은 기존의 내연기관 차량과의 경쟁력을 높이는 데 매우 중요하다. 다음은 배터리 효율을 개선할 수 있는 방법에 대해 알아보자.

먼저 에너지 밀도를 증가시켜야 한다. 배터리의 에너지 밀도를 높이면 전기차가 한 번 충전으로 더 멀리 주행할 수 있다. 이는 에너지 밀도가 높은 소재를 사용하거나, 배터리 설계를 개선하거나, 셀의 패킹 밀도를 높이는 방법으로 달성할 수 있을 것이다.

두번째는 배터리 자체의 무게를 줄이는 것이다. 배터리 팩의 무게를 줄이면 차량의 주행 거리를 늘릴 수 있기 때문에 더 가벼운 소재를 사용하거나 배터리 설계를 개선하거나 필요한 셀 수를 줄임으로써 달성할 수 있을 것이다.

다음은 충전 시간을 개선하는 것이다. 현재 전기차 구매를 가장 망설이는 이유가 바로 충전시간이 오래 걸린다는 것이다. 전기차 배터리를 충전하는 데 걸리는 시간을 줄이면 일상적인 사용에 더 실용적으로 사용할 수 있을 것이다. 충전 인프라를 개선하거나 고속 충전 기술을 사용하거나 배터리 화학 물질을 개선하면 더 빠르게 충전할 수 있는 시스템을 만들 수 있을 것이다.

마지막은 배터리 수명을 연장하는 것이다. 배터리 수명을 개선하면 배터리 교체 필요성을 줄이고 전기차의 비용 효율성을 높일 수 있다. 이는 여러 번의 충전 및 방전 주기에 걸쳐 더 안정적인 소재를 사용하거나 배터리 설계를 개선함으로써 달성할 수 있을 것이다.

 

전기차 배터리는 전기차 시장의 성공에 있어서 가장 핵심적인 기술 중 하나이다. 요즘 주식시장에서도 가장 수급이 많고 가격 상승이 강한 섹터가 바로 2차 전지 종목이라는 것은 모두 알고 있을 것이다. 리튬이온 배터리는 현재 전기차에 가장 많이 사용되는 배터리 유형이지만 비용, 환경 영향, 안전성에 대한 우려를 해결하기 위해 NMC 및 고체 배터리와 같은 대체 소재가 개발되고 있다. 전기차 배터리의 제조 공정은 매우 복잡하고 배터리 성능과 신뢰성을 보장하기 위해 일관된 품질이 필요로 한다. 전기차 배터리의 효율성을 개선하고 비용을 절감하는 것은 소비자의 접근성을 높이고 운송수단이 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 필수적이다. 지금처럼 지속적인 연구 개발을 통해 배터리 성능과 비용 효율성이 획기적으로 개선될 것이 기대되기에 전기차 배터리 기술의 미래는 보다 더 발전할 것으로 기대된다.