[취준생 정보] 자동차 산업 / 전기차 성공의 열쇠 : 배터리 기술

 

2020년 ~ 2022년 국가별, 브랜드별 전기차 판매량

2022년 글로벌 전기차 판매량은 802만대로 작년 478만대에 비해 약 68% 성장하였습니다. 전기차는 앞으로도 올해와 같은 성장률을 유지할 수 있을지, 전기차가 내연기관의 대부분을 대체할 수 있을지 전기차의 전망에 대해 알아보겠습니다.

 

EV 차량은 정말 환경친화적인 자동차일까?

화석연료를 태워 동력 에너지로 변환하는 과정에서 매연을 배출하는 내연기관과 달리 전기차는 주행 중 배기가스 및 이산화탄소 발생량이 거의 없습니다. 하지만 전기차 충전에 필요한 전기를 생산하는 과정에서 공해물질을 배출합니다.

전 세계 전기 생산 발전 방식 비중을 보면 석탄, 석유 및 천연가스와 같은 화석연료 발전 방식이 60% 이상을 차지합니다. 반면 재생에너지 비율은 약 10% 정도입니다. 전력 생산 과정에서 여전히 화석연료의 비율이 높고 이 과정에서 많은 공해물질을 배출합니다.

 

내연기관 공해 배출 총량과 대규모 발전 시설 공해 배출 총량을 비교할 때 전자의 경우가 조금 더 크지만 전기차 생산 시 필요한 여러 리소스를 고려하면 EV 차량이 친환경에 절대적으로 유리한 상황도 아닙니다.

 

결국 EV 차량이 친환경에 절대적으로 유리한 이동 수단이 되려면 발전 방식의 탈탄소화가 함께 이루어져야 합니다. 노르웨이와 같은 북유럽 국가는 전력 수급 방식 비중의 상당 부분을 재생에너지로 수급하고 있지만 이는 어디까지나 국가의 인구가 적어 재생에너지로 충당이 가능하거나 지역의 지리 조건 등 재생에너지 발전에 유리한 환경에 국한된 이야기입니다.

중국, 미국, 서유럽 국가 등 전기차 수요가 많은 지역의 재생에너지 발전 비율을 의미 있는 수준으로 높이기는 아직 현실적으로 어렵고 소형원전모듈(SMR)이 차세대 발전 방식으로 주목받고 있으나 기술적, 안정성 측면 등 여러 검증되지 않은 문제가 있기에 빠른 시일 내에 상용화는 어려울 것으로 예상됩니다.

 

이러한 에너지 수급 차원에서의 기술 혁신으로 먼 미래엔 탈탄소화 발전 방식으로 EV 차량의 친환경적 가치가 올라갈 수 있으나 아래에 서술할 전기차의 여러 단점이 해결되지 않으면 전기차의 전망은 장밋빛을 그리는 대중들의 예상과는 다른 방향으로 나아갈 수 있습니다.

 

전기차의 문제점

비싼 배터리의 가격

전기차에 탑재되는 부품 수는 약 15,000개로 내연기관 차량에 절반 정도이지만 가격은 전기차가 내연기관 차량보다 평균 1.6 ~ 2배 정도 높습니다. 고전압 배터리와 고전압 모듈과 모듈에 연결되는 고전압 시스템의 부품이 비싸기 때문입니다. 전기차 인프라가 늘어나고 본격적으로 전기차가 많이 팔리기 시작해 배터리 판매량 증가하여 규모의 경제를 이루면 배터리의 가격이 내려갈까? 혁신적인 배터리팩 구조 개선과 제조 공정은 배터리 가격은 낮출 수 있을까?

배터리의 가격은 내려갈까?

내려가지 않을 가능성이 높습니다. 현재 배터리 셀의 원가 구조를 보면 순수 재료비가 셀 단가의 60% 이상을 차지합니다. 배터리 제조에 필요한 여러 소재들의 가격 전망은 좋지 않습니다. 2023년 2월 기준 리튬과 코발트의 가격이 일시적으로 하락했지만 매년 꾸준히 상승 중입니다. 심지어 리튬은 중국이 전 세계 광산의 대부분을 독점하고 있습니다. 중국엔 글로벌 배터리 1위 기업 CATL(점유율 34%), 3위 BYD(점유율 12%) 로컬 기업이 있고 원자재 수급 경쟁에서 중국은 자국 기업들에 유리한 전략을 펼칠 가능성이 높으며 미, 중 갈등으로 자원 무기화 가능성도 존재하기에 재료비 부분에 불확실성이 커지고 있습니다.

해결되지 않는 열폭주 문제점

이차전지는 크게 양극재, 음극재, 전해액, 분리막으로 구성됩니다. 외부 충격으로 분리막이 파손 또는 손상되어 양극 물질과 음극 물질이 만나면 폭발적인 화학반응으로 열폭주 현상이 발생합니다. 이를 해결하기 위해 여러 기업에서 열폭주를 완화하는 첨가액 개발, 분리막 강화 소재를 연구 개발하지만 여전히 열폭주 문제는 해결되지 않고 있습니다.

전력 수급 문제점 (우리나라 자동차의 절반이 전기차로 바뀌면 전력량을 감당할 수 있을까?)

2022년 3분기 기준 대한민국에 등록된 총 차량은 2,535만 대. 그중 절반인 1,250만 대가 전기차로 대체되었을 때 과연 전력 수급이 가능한지 대략 계산해보려고 합니다. 전력량은 2019년 기준 통계청 자료로 단순 계산을 해보았을 때 대한민국 1년 전력 총생산 및 소비량은 다음과 같습니다.

생산량( Twh)	소비량(Twh)	여유량(Twh)
590	526	64

계산에 대입할 전기차는 현대자동차 아이오닉5로 가정한다. 아이오닉5의 배터리 용량은 77.4kwh, 전비는 최대 5.2km/kwh입니다. 이 차량으로 1년에 15,000km를 주행한다고 가정하면 아이오닉5 1대당 1년에 필요한 총 충 전량은 2,885kwh입니다. 이런 전기차가 전국에 1,250만 대가 있다고 가정하면 1,250만 대를 충전하는데 필요한 총 전력량은 약 36.1Twh입니다.

여유 전력량이 64Twh인 걸 감안하면 1,250만 대의 전기차를 충전하는데 필요한 전령량은 여유량에 절반보다 조금 높은 수치입니다. 이론적으로 여유량 안에서 충분히 해결할 수 있는 수치이나 계절별 전력 수요에 따른 블랙아웃 방지를 위해 10%의 전력 여유는 확보해야 하므로 약 30Twh의 추가 전력 생산이 필요합니다. 이는 대한민국 5개의 원자력 발전소에서 3개월 동안 생산하는 전력 총량과 맞먹고 대한민국 재생에너지 1년 총 전기 생산량의 4배에 달합니다.

절대 해결할 수 없는 문제는 아니지만 탈탄소화 발전소의 꾸준한 인프라 투자가 선행되지 않으면 전력 수급 확보를 장담할 수 없습니다.

짧은 주행거리와 긴 충전 시간

앞서 설명했듯 배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액으로 구성됩니다. 주행거리는 배터리 용량과 전압에 의해 결정되고 이는 양극재에 의해 결정됩니다. 충전 시간은 이온이 양극재와 음극재에서 산화, 탈리되는 반응 속도를 얼마나 빨리 개선할 수 있는가에 달렸습니다. 하지만 전해액 기반의 이차 전지에서 충전 반응속도 향상은 화학적, 물리적, 구조적으로 쉽지 않습니다. 나중에 이차전지 관련된 내용도 업로드할 예정입니다.

 

결론

전기차의 성공을 위해선 반드시 배터리 혁신이 함께 이루어져야 합니다. 위에 언급된 전기차의 문제를 해결하려면 배터리 소재 분야에서의 혁신이 필수적입니다. 에너지 밀도가 높고, 충전 반응이 빠르고, 안정성이 높으며, 재료비 비중이 높지 않아 기술적으로 셀 단가를 낮출 수 있는 그런 배터리의 상용화가 없다면 전기차의 성장과 판매 증가량은 언젠간 꺽일 거라 생각합니다.