전기차 배터리, 화학 물질의 변화 과정 그리고 전망은

전기 자동차(EV)가 널리 보급되기 위해서는 핵심적인 배터리 문제가 해결되어야 한다. 따라서 전기차의 성공 여부는 배터리 기술의 발전에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 전기 자동차에 사용되는 배터리 화학물질 변화 그리고 미래에 어떤 물질이 사용될지 알아보기로 한다.

 

전기차배터리

 

배터리	납축 배터리	니켈 기반 배터리	리튬이온 배터리	차세대 배터리
개발 년도	1900년대	1950년대	1990년대	현재 개발중
사용 용도	각종 산업기기	각종 전자기기 자동차용	휴대폰, 노트북 자동차용	모바일, 초소형기기 자동차용
고려 사항	기기전원공급용	이동성 부여	고용량, 경량화	초소형, 고안전성

 

납축 배터리

납 축전지는 전기 자동차에 더 이상 널리 사용되지는 않지만 전기 자동차의 초기 개발에 중요한 역할을 했다. 이러한 배터리는 산성 전해액에 침지된 리드 플레이트로 구성된다. 납축 배터리는 최신 기술에 비해 낮은 에너지 밀도와 짧은 수명을 나타 내지만, 여전히 높은 전류를 전달할 수 있는 경제성과 축전 능력으로 인해 일부 하이브리드 전기 자동차(HEV)에 적용된다.

 

니켈 기반 배터리

니켈-카드뮴(Ni-Cd) 및 니켈-금속 수소화물(NiMH) 배터리와 같은 니켈 기반 배터리는 납-산 배터리보다 개선되었다. Ni-Cd 전지는 카드뮴 음극, 수산화니켈 양극, 알칼리성 전해질을 사용하였으며, NiMH 전지는 카드뮴을 수소흡착합금으로 대체하였다. 이러한 배터리는 더 높은 에너지 밀도, 더 긴 수명 및 향상된 충방전 효율을 제공하여 초기 전기 자동차 및 하이브리드 모델에 사용 되었다.

 

리튬 이온 배터리

리튬이온(Li-ion) 배터리는 우수한 에너지 밀도, 긴 사이클 수명 및 더 빠른 충전 능력으로 인해 현대 전기 자동차에서 널리 사용되고 있다. 이러한 전지들은 양극재로 리튬계 화합물, 음극재로 탄소계 물질 및 리튬염 전해질을 사용한다. Li-ion 전지에서 가장 많이 사용되는 양극 재료로는 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 철 인산화물(LiFePO4), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA) 등이 있다.

 

차세대 1. 전고체 배터리(미래)

전고체 배터리는 전기 자동차(EV) 배터리의 다음 차세대 기술로 조만간 개발 예정이다. 액체 또는 겔 전해질을 사용하는 Li-ion 전지와 달리, 전고체 전지는 고체 전해질을 사용하여 안전성이 향상되고, 에너지 밀도가 높으며, 수명이 향상된다. 리튬 가넷, 황화물계 전해질, 고분자계 전해질 등 다양한 전고체 전지화학이 연구되고 있다. 전고체 배터리는 아직 연구 개발 단계에 있지만, 전기 자동차 산업에 혁명을 일으킬 수 있는 엄청난 잠재력을 지니고 있다.

 

차세대 2. 나트륨 이온 배터리(리튬 대안)

나트륨 이온(Na-ion) 배터리는 리튬 이온 배터리의 새로운 대안이다. 이러한 배터리는 리튬 이온 대신 나트륨 이온을 사용하여 보다 풍부하고 비용 효율적인 대안을 제시한다. 현재 Na-ion 배터리는 에너지 밀도 및 사이클 수명 측면에서 Li-ion 배터리에 비해 뒤처져 있지만, 이러한 문제점을 극복하고 성능을 향상하는 것이 연구의 목표이다. Na-ion 배터리는 나트륨 자원이 풍부한 특정 전기차 또는 일부 지역에서 응용 프로그램을 찾을 수 있을 것이다.

 

차세대 3. 신규 배터리 화학 물질(미래)

전술한 배터리 화학 이외에도, 전기 자동차에서 주행거리 확보 및 충전 인프라 구축이 용이하도록 다른 물질들이 탐구되고 있다. 여기에는 높은 에너지 밀도를 약속하는 리튬-황(Li-S) 배터리와 높은 에너지 밀도와 낮은 비용을 제공하는 마그네슘-이온(Mg-ion) 배터리가 포함된다. 연구원들은 또한 아연 공기 배터리, 유동 배터리 등을 연구하고 있는데, 각각 독특한 장점과 해결해야 할 과제를 가지고 있으며 향후에는 더욱 개선된 제품이 출시될 것이다.

 

검토 및 고찰

배터리 화학의 발전은 전기 자동차의 발전에 중요한 역할을 한다. 납축전지에서부터 획기적으로 변화시키는 리튬이온 기술에 이르기까지 다양한 재료들이 전기자동차의 성능, 주행 가능 거리 및 지속가능성을 꾸준히 형성해 왔다. 연구가 계속되고 새로운 배터리 화학 물질이 등장함에 따라, 전기 자동차 배터리의 미래는 더 큰 에너지 밀도, 더 긴 수명, 더 빠른 충전, 그리고 모두를 위한 더 저렴한 전기 운송에 대한 무한한 가능성을 가지고 있다.