전기자동차가 운송 부하를 완전히 차지하지 못하는 가장 큰 이유는 고전압 배터리의 기술 수준 때문이다. 지난 10년 동안 이 분야에서 엄청난 발전이 이루어졌음에도 불구하고 배터리의 에너지 함량은 액체 연료의 에너지 함량에 전혀 미치지 못합니다. 자동차 연구의 성배는 현재 사용 가능한 것보다 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리입니다. 그래서 우리는 현재와 유망한 배터리 기술을 검토하고 최신 정보를 제공하기로 결정했습니다.
현재 사용중인 기술
리튬 이온 - NCM 및 NCA 음극
리튬 이온 배터리는 Sony가 상업용 장치인 Sony CCD-TR1 캠코더에 도입한 약 30년 전으로 거슬러 올라갑니다. 리튬 이온 배터리는 어떻게 작동하나요? 간단히 말해서, 리튬 이온은 양극에서 음극으로 앞뒤로 이동합니다. 방전 중에 양극은 리튬 이온을 음극으로 보냅니다. 리튬 이온은 액체 전해질을 통해 이동하는 반면 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전지의 음극에서 재결합됩니다. 충전 중에는 반대 현상이 발생합니다.
| 배터리 유형 리튬 이온 NCX | 리튬이온 NCX |
|---|---|
| 비에너지(Wh/kg 배터리) | 150-325 (고니켈 음극, 셀-팩, 실리콘 양극) |
| 배터리 내구성(사이클) | 500-1500 |
| 총 배터리 팩 비용(€/kWh) | 250-280 |
| 130km/h 속도 및 평균 소비량 25kWh/100km(kg)로 500km 주행에 필요한 배터리 무게 | 385-830 |
요즘에는 리튬이온 NCM과 NCA 고전압 배터리 종류가 전기자동차에 거의 독점적으로 사용됩니다. N은 니켈, C는 코발트, M은 망간, A는 알루미늄을 나타냅니다. 배터리 음극에 이러한 물질이 차지하는 비율에 따라 다양한 특성이 나타납니다. 예를 들어 NCM 712 배터리는 니켈 70%, 코발트 10%, 망간 20%로 구성되어 있음을 의미합니다. 일반적으로 배터리의 니켈 비율이 높을수록 배터리가 제공할 수 있는 에너지 밀도가 높아져 배터리 팩의 무게와 크기에 크게 긍정적인 영향을 미칩니다.
지각에 코발트가 부족하고 의심스러운 채굴 윤리(아동 노동)로 인해 배터리 제조업체는 재료의 비율이 낮거나 코발트를 완전히 배제한 화학 물질을 사용하려고 합니다. 고니켈 음극, 셀-팩 배열 및 양극의 실리콘을 결합하면 에너지 밀도를 최대 325Wh/kg까지 높일 수 있습니다. 이러한 유형의 배터리는 기술적 한계에 가깝다고 말할 수 있습니다.
리튬 이온 - LFP 음극
리튬이온 배터리의 음극에 대한 또 다른 대안은 리튬인산철을 사용하는 것입니다. 이러한 종류의 배터리 성능은 일반적으로 NMC 유형보다 낮지만 서비스 수명이 길고 더 저렴하고 일반적인 재료가 사용되기 때문에 일부 제조업체에서는 선호합니다. 여기서는 두 가지 주요 요인으로 인해 비에너지 밀도가 더 낮습니다.
첫째, 최대 전압이 더 낮기 때문에 동일한 커패시턴스에 대해 더 적은 kWh를 얻게 되며, 두 번째는 리튬 이온이 NMC 배터리의 2차원이 아닌 한 공간 차원으로 이동하기 때문입니다. 리튬 이온이 한 공간 차원에서만 이동한다는 사실은 배터리의 최대 방전 전력도 낮다는 것을 의미하므로 이러한 종류의 배터리는 고성능 애플리케이션에 적합하지 않은 것으로 간주됩니다.
| 배터리 유형 LFP | LFP |
|---|---|
| 비에너지(Wh/kg 배터리) | 120 |
| 배터리 내구성(사이클) | >2000 |
| 총 배터리 팩 비용(€/kWh) | 200 |
| 130km/h 속도 및 평균 소비량 25kWh/100km(kg)로 500km 주행에 필요한 배터리 무게 | 1040 |
이것이 Tesla가 Model 3의 기본 버전에만 이러한 종류의 배터리 화학을 사용하는 이유입니다. 하지만 이러한 종류의 배터리에는 두 가지 주요 장점이 있습니다. 수명이 다른 리튬 이온 유형보다 높은 것으로 간주되며 100% 충전 시 문제가 없을 뿐만 아니라 실제로 이러한 배터리에 강력하게 권장됩니다.
가능한 미래 기술
리튬 - 공기
리튬-공기 배터리는 대부분 현재 연구 중인 기술 프로젝트이지만 이 유형의 배터리는 가장 유망한 것으로 보이며 11.4kWh/kg의 액체 연료와 유사한 비에너지 성능을 제공합니다. 리튬은 양극에 있고 공기는 음극에 있으며 이 둘은 전해질로 분리되어 있습니다. 방전 중에 양극의 리튬 이온은 공기가 있는 음극으로 이동하여 산소와 반응합니다.
| 배터리 유형 리튬 - 공기 | 리튬 - 공기 |
|---|---|
| 비에너지(Wh/kg 배터리) | 11400 |
| 배터리 내구성(사이클) | 매우 낮음 |
| 총 배터리 팩 비용(€/kWh) | 알 수 없음 |
| 130km/h 속도 및 평균 소비량 25kWh/100km(kg)로 500km 주행에 필요한 배터리 무게 | 11 |
불행하게도 충전 중 고온으로 인해 배터리의 급속한 재충전이 방해되고, 프로세스 중 수상돌기의 형성으로 인해 배터리의 수명이 크게 단축되어 현재 실험실 환경에서만 사용이 제한됩니다. 기술적인 문제가 극복되고 비용이 합리적이라면 ICE 차량은 하룻밤 사이에 쓸모 없게 될 것입니다.
솔리드 스테이트
이는 자동차 배터리의 성배로 간주되며 현재 자동차 산업의 모든 거대 기업에서 광범위한 연구가 진행되고 있습니다. 오늘날의 기존 리튬 이온 배터리는 액체 전해질과 분리막을 사용하여 양극과 음극을 분리합니다. 고체 배터리에서는 액체 전해질과 분리막이 고체 전해질로 대체됩니다.
| 배터리 유형 솔리드 스테이트 | 솔리드 스테이트 |
|---|---|
| 비에너지(Wh/kg 배터리) | 500-600* |
| 배터리 내구성(사이클) | 1000* |
| 총 배터리 팩 비용(€/kWh) | 알 수 없음 |
| 130km/h 속도 및 평균 소비량 25kWh/100km(kg)로 500km 주행에 필요한 배터리 무게 | 200-250 |
연구원들은 현재 금속 및 세라믹 물질을 모두 포함하는 고체 전해질에 대한 다양한 옵션을 평가하고 있습니다. 현재 이 배터리 기술을 활용하는 전기 자동차는 없지만, 첫 번째 생산 모델은 향후 2~3년 내에 시장에 출시될 것으로 예상됩니다. 이 배터리는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬 이온 배터리보다 두 배의 특정 에너지 밀도를 제공하는 동시에 1,000사이클의 수명을 유지할 것으로 예상되지만 이러한 추정치는 개발이 진행됨에 따라 잠재적으로 개선될 수 있습니다.
