전기차 배터리의 진화 과정, 납 축전지, 니켈, 리튬 이온, 전고체전지 그리고 미래는

자동차 산업은 최근 수십 년 동안 전기 자동차(EV)의 증가와 함께 주목할 만한 변화를 하고 있다. 이러한 변화를 주도하는 핵심 요소 중 하나는 전기차 배터리의 발전이다. 납 축전지의 초기부터 리튬 이온 기술의 현대적 배터리에 이르기까지, 진화과정을 알아보기로 한다.

 

배터리 진화과정

 

1. 납축 배터리

 전기 자동차 배터리의 역사는 납축 배터리가 처음 개발된 19세기 중반까지 거슬러 올라가게 된다. 초창기에 무겁고 부피가 큰 배터리는 제한된 에너지 저장을 하며 낮은 에너지 밀도, 짧은 수명 및 느린 충전 용량과 같은 상당한 문제점을 가지고 있었다. 따라서, 초기의 단순성과 필요성은 전기 자동차 응용 분야의 개발을 촉진하는 계기가 되었다.

 

2. 니켈 기반 배터리

 20세기 후반, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-금속 수소화물(NiMH) 전지를 포함한 니켈계 전지가 납축 전지보다 개선된 형태로 등장했다. 더 높은 에너지 밀도, 더 긴 수명, 더 빠른 충전 속도를 제공했다. 니켈계 배터리는 초기 전기차에서 우수한 성능으로 인기를 끌었지만 여전히 메모리 효과, 독성 우려, 에너지 용량 제한 등 한계에 대한 문제점이 남아있었다.

 

3. 리튬 이온 개발

전기자동차 배터리의 진화의 전환점은 리튬이온(Li-ion) 배터리의 도입과 함께 시작되었다. 1991년 소니가 최초로 상용화한 Li-ion 배터리는 높은 에너지 밀도, 경량화된 특성, 향상된 효율성으로 전기차 산업의 혁명을 위한 발판을 마련했다. 리튬 이온 배터리는 더 높은 에너지 저장 용량, 더 긴 사이클 수명, 더 빠른 충전 시간, 그리고 더 작은 크기와 무게를 제공하여 이전 배터리보다 많은 장점을 제공했다.

 

4. 리튬 이온 발전 

전기 자동차에 대한 수요가 증가함에 따라, 리튬 이온 배터리 기술에서 추가적인 발전이 이루어졌다. 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)과 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA) 화학의 두 가지 주요 변형이 나타났다. NMC 배터리는 에너지 밀도와 안전성 사이에서 균형을 이루었고, 이는 광범위한 전기 자동차의 응용에 적합했다. 반면에 NCA 배터리는 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 제공하였으며  테슬라가 주로 차량에 사용했다.

 

5. 당면 과제 및 혁신

리튬 이온의 개발 과정에 문제점이 없었던 것은 아니다. 특히 열폭주와 과열을 둘러싼 안전 문제는 반드시 해결 해야 하므로 연구 개발 노력을 촉진시켰다. 배터리 관리 시스템(BMS) 및 열 관리 시스템의 발전은 이러한 우려를 해결하여 전기 자동차에서 리튬 이온 배터리의 안전성과 신뢰성을 확보하였다. 또한 흑연에서 실리콘 음극으로의 전이와 같은 전극 재료의 개선은 에너지 밀도 및 성능을 더욱 향상시켰다.

 

6. EV 배터리의 미래 

전기 자동차(EV) 배터리의 미래는 밝은 전망을 가지고 있다. 전고체전지는 리튬이온전지의 한계를 잠재적으로 극복할 수 있는 유망한 기술로 떠오르고 있다. 이러한 전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 안전성 향상, 에너지 밀도 향상, 충전 속도 향상, 수명 연장 등의 이점을 제공한다. 많은 연구진과 제조사들은 차세대 전기차에 전력을 공급하기 위해 전고체 배터리 솔루션을 적극적으로 모색하고 있다.

 

7. 검토 및 고찰

 전기 자동차(EV) 배터리의 발전은 더 높은 에너지 밀도, 향상된 안전성 및 향상된 성능에 대한 필요성에 의해 주도되어 납-산에서 리튬-이온 기술로 이어지는 놀라운 개발과정이었다. 리튬이온 배터리가 지배적인 선택으로 부상하면서 전기차 산업에 혁명을 일으키고 지속 가능한 운송 미래를 위한 길을 열었다고 해도 과언이 아니다. 연구와 개발이 계속됨에 따라, 우리는 전기 자동차의 진화의 다음 장인 전고체전지 그리고 더욱 발전된 배터리 기술을 기대해 본다.