전기자동차의 심장, '배터리'의 모든 것

 
 
기사공유
/사진=이미지투데이

양산형부터 1억원을 호가하는 프리미엄 모델까지 다양한 전기차가 쏟아지면서 내연기관 없이 모터로 작동하는 전기차가 미래형 자동차의 중심으로 떠올랐다.

전기차에 대한 세간의 관심이 커지면서 관련 부품도 덩달아 주목받는 상황. 특히 전기차의 성능과 주행 거리에 직접 영향을 미치는 배터리에 대한 관심은 그 어느 때보다 높다.

하지만 전기차 배터리에 대한 내용을 살필 때면 배터리셀, 배터리 모듈, 배터리 팩 등 용어가 다양해 헷갈리는 경우가 많다.

◆셀·모듈·팩은 뭐지?

먼저 전기차에 가장 많이 사용되는 배터리는 ‘리튬이온 배터리’다. 리튬이온 배터리는 크기와 무게에 비해 충전 용량이 크다는 장점을 지녔다. 자연방전되는 경우가 거의 없으며 니켈카드뮴 배터리에서 흔히 발생하는 메모리 효과가 없어 사용하기 편리하다.

이 리튬이온 배터리를 여러개 엮으면 ‘배터리 셀’이 된다. 배터리 셀을 효율적으로 관리하기 위해 여러개를 합치면 ‘배터리 모듈’이 되고 또 이를 모아 ‘배터리 팩’을 만들어 전기차에 탑재한다. 즉, 배터리 셀 < 배터리 모듈 < 배터리 팩 순으로 이해하면 된다. 통상 전기차 1대에는 하나의 배터리 팩이 들어간다.

순수 전기차인 BMW i3의 경우 총 96개의 배터리 셀이 탑재된다. 12개의 셀을 엮어 8개의 배터리 모듈로 만든 후 8개의 모듈을 하나의 배터리 팩으로 만드는 셈이다.

/사진=삼성SDI

배터리 셀은 음극, 양극, 분리막, 전해액 등으로 구분되며 알루미늄케이스에 넣어 하나로 만든다. 배터리 모듈은 여러개의 배터리셀을 보호하는 역할을 한다. 주행 중 발생할 수 있는 외부충격과 열, 진동 등을 보호하기 위해 프레임을 갖춘 하나의 조립체다. 가장 큰 단위인 배터리 팩은 전기차 배터리 시스템의 최종형태다. 배터리관리시스템(BMS), 냉각시스템 들 각종 제어장치가 여기에 탑재된다.

이렇게 완성된 배터리 팩은 대부분 전기자동차의 하부에 위치한다. 자동차 전문가는 “배터리를 하부에 배치하는 첫번째 원인은 전반적인 무게 중심을 맞추기 위함”이라며 “트렁크에 배터리 팩을 부착한 초기모델의 경우 트렁크 공간을 활용할 수도 없었고 무게 중심이 맞지 않아 조향성능이 좋지 않았다”고 설명했다.

◆나라마다 제각각 전기차 충전방식

이렇게 구성된 배터리는 ‘직류’ 전원으로 전기차를 움직인다. 전기차를 충전하는 방식은 급속충전과 완속충전으로 나뉜다. 완속 충전은 교류 전원을 이용해 배터리를 충전하는 방식으로 4~5시간이 소요된다. 반면 급속 충전은 별도의 변환기를 거치지 않고 충전하는 방식으로 30분 이내로 완충이 가능하다.

완속 충전의 경우 미국, 일본, 한국이 공통으로 채택해 제조사나 사용자의 불편이 적지만 급속 충전은 나라, 제조사마다 상이하다.

국내에서 사용 중인 급속 충전 방식은 ‘DC콤보’방식과 ‘차데모’, ‘AC3상’ 방식이다. ‘DC콤보’ 방식은 완속충전용 교류 모듈에 급속충전용 직류 모듈을 동시에 사용할 수 있는 방식으로 BMW i3나 쉐보레 스파크 EV가 채택하고 있는 방식이다. 이 방식은 공간 활용도나 커넥터 통합 등의 이점이 있다.

‘차데모’는 일본 도쿄전력을 중심으로 닛산, 미쯔비시, 후지 중공업, 도요타를 주축으로 개발된 충전 방식으로 현재 도요타와 닛산, 미쯔비시가 사용 중이다. 직류 방식만을 이용한 충전 방식으로 급속 충전을 목표로 개발됐기 때문에 교류 충전의 경우는 별도의 커넥터 등이 필요해 공간 활용성이 떨어진다는 단점이 있다.

마지막으로 ‘AC3상’ 방식이 있는데 프랑스 르노가 내세우고 있는 방식이다. 별도의 직류 변환 어댑터가 필요 없고 낮은 전력을 이용해 효율이 높다. 또 직류 변환 장치가 필요 없어 다른 충전방식에 비해 인프라 구축 비용이 적고 하나의 케이블로 급속충전과 완속충전이 가능하다는 장점도 있다.

전기차 충전방식. /사진=환경부

이외에도 테슬라는 자체 충전 방식인 ‘수퍼 차저’를 사용 중이며 택시와 같은 대중교통수단을 중심으로 빠르게 전기차를 보급 중인 중국의 경우는 차데모 방식을 변형한 자체적인 방식을 운영 중이다.

우리나라 국가기술표준원은 지난해 12월에 전기차 급속 충전방식을 ‘콤보1’으로 권장하는 내용의 한국산업규격(KS) 개정을 고시했다. ‘콤보1’은 미국과 캐나다 등 북미에서 미국자동차공학회 표준으로 채택된 방식으로 DC콤보 충전 방식이다.

◆전기차 배터리의 미래 ‘전고체’

전기차 배터리를 책임지는 화학업계는 현재 ‘전고체 배터리’에 대한 연구가 한창이다. 전고체 배터리는 리튬이온으로 이동하는 전해액을 고체로 만든 것으로 열과 외부 충격에 강한 특징을 지닌다. 이 배터리는 고용량 고밀도, 안전성이 특징으로 업계는 전고체 배터리가 상용화될 경우 현재보다 주행거리, 충전시간, 안전성 및 내구성 등에서 획기적인 변화가 있을 것으로 기대한다.

전고체 배터리 개발에 가장 앞선 일본은 정부의 주도 아래 완성차업체가 개발에 뛰어든 양상이다. 토요타는 전고체 배터리 개발에 총 1조5000억엔(약 15조원)을 투자해 자체 개발 중이다. 2022년 전고체 배터리 상용차 출시를 세계 최초로 출시한다는 야심찬 계획도 밝혔다.

르노-닛산-미쓰비시 연합은 올해 초 10억달러(약 1조2000억원)을 미국 전고체 개발 스타트업 ‘아이오닉 머티리얼’에 투자했다. 이들은 오는 2025년 전고체 배터리를 자동차에 탑재할 계획이다.

삼성SDI, LG화학, SK이노베이션 등 국내 주요 전기차 배터리 업체도 저고체 배터리 개발에 돌입한 것으로 알려졌다. 다만 전고체 배터리가 리튬이온 배터리 중심의 패러다임을 바꾸기 위해서는 적지 않은 시간이 필요하다는게 업계의 시각이다.

업계 관계자는 “전고체 배터리는 발화 위험이 적고 고용량의 전력을 충전할 수 있어 전기차 배터리로 뛰어난 성능을 발휘할 것”이라며 “다만 양산에 성공해도 품질 검증 등의 단계를 거치면 2030년쯤 상용화가 될 것으로 예상된다”고 말했다. 그는 이어 “상용화 이후에도 기존 배터리 의 효율성을 뛰어넘기 위해서는 수년의 시간이 추가로 필요할 것”이라고 말했다.
 

박흥순 soonn@mt.co.kr

<머니S> 산업1팀 IT담당 박흥순입니다.

이 기자의 다른기사 보기 >
  • 0%
  • 0%


  • 코스피 : 2080.44하락 5.6518:03 11/12
  • 코스닥 : 670.82하락 16.4718:03 11/12
  • 원달러 : 1133.90상승 5.618:03 11/12
  • 두바이유 : 70.18하락 0.4718:03 11/12
  • 금 : 69.36하락 2.1818:03 11/12
  • image
  • image
  • image
  • image
  • image

커버스토리

정기구독신청 독자의견