용량

용량은 배터리에 저장할 수 있는 전기의 총 양이다. 배터리 용량(Capacity)을 의미하는 단위는 Ah이다. 일정한 전류가 얼마 동안 흐를 수 있는 가를 의미한다. 예를 들어 1A의 전류가 1시간 동안 흐르면 배터리 용량은 1Ah이고, 2시간 동안 흐르면 2Ah이다. 전기자동차의 배터리 용량은 kWh로 표기된다. 배터리의 용량이 높을수록 한번 충전으로 오랜 시간 사용할 수 있다. 배터리는 사용 환경에 따라 한번 충전으로 사용할 수 있는 최대 사용 시간은 차이 날 수 있다.

배터리 용량을 좌우하는 요소는 에너지 밀도이다. 전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채웠기 때문이다. 전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤이다.

리튬공기전지는 이름 그대로 공기 중 산소를 양극 소재로 활용하여 충방전 작동을 하는 배터리로 내연기관에 준하는 높은 이론 에너지 밀도를 갖고 있으며 이는 리튬 이온 배터리의 10배에 해당된다. 음극으로 리튬메탈을 사용하는 시스템으로 공기중의 산소를 사용하기에 셀의 에너지 밀도를 극대화할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나, 충방전 중의 비가역적인 중간상의 생성으로 인하여 가역성이 낮아 재충전하여 사용할 경우 용량이 급격히 줄어드는 단점이 있다. 또한 산소 공급 시스템 등을 고려하면, 셀 레벨이 아닌 팩 단위에서는 에너지 밀도 향상폭이 그리 크지 않을 수 있다는 우려도 있다. 리튬 황 배터리는 양극으로 황, 음극으로 리튬메탈을 사용하는 시스템으로, 리튬을 많이 저장할 수 있는 황의 사용으로 인하여 종래 리튬이차전지의 양극재료 대비 10배 가량 높은 1862mAh/g의 높은 용량 구현이 기대된다.

전기차의 주행거리를 늘리려고 배터리 용량을 늘리면 차 무게가 늘어나고 서스펜션이 딱딱해지면서 승차감이 떨어진다. 최적의 효율을 내기 위한 모터와 배터리, BMS(배터리 관리시스템) 등이 종합적으로 균형을 이뤄야 높은 수준의 주행거리를 확보할 수 있다.

테슬라 2021년형 모델3에는 82kWh 용량의 파나소닉 배터리를 탑재해 주행거리를 늘린 것으로 확인됐다. 쉐보레의 2020년형 볼트 EV의 경우 이전 모델의 주행거리는 383km에 불과했으나 66kWh 배터리를 탑재해 주행거리가 414km로 대폭 늘었다. 코나EV는 64kWh의 국내 고용량 리튬이온 배터리를 장착했으며 고효율 고전압시스템, 회생제동시스템 등을 통해 1회 충전 주행거리 406km로 전기차 인증을 받았다.기아 전기차 EV6 기본형은 58kWh 용량의 배터리가 탑재된 스탠다드와, 77.4kWh 용량의 롱레인지 모델로 출시됐다. 내년에 출시될 GT-라인과 GT도 77.4kWh 배터리가 탑재된다.

포르쉐 타이칸 터보는 총 용량 93.4kWh의 퍼포먼스 배터리 플러스를 기본 사양으로 탑재한다.

배터리 용량

배터리 용량 20% 늘리는 기술

2020년 6월, 한국과학기술연구원(KIST)은 청정신기술연구소의 에너지저장연구단 공동연구팀이 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 큰 실리콘 기반 음극 소재의 고질적인 문제를 해결하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 최근 배터리의 용량을 높이기 위한 방안으로 실리콘을 음극 소재로 사용하는 기술이 주목받고 있다. 실리콘 음극 소재는 기존 리튬 배터리의 음극 소재인 흑연보다 에너지를 4배 이상 저장할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 그러나 실리콘계 음극이 포함된 배터리는 생산 후 첫 번째 충전 시 전력저장에 사용되어야 할 리튬 이온이 20% 이상 손실되는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 손실될 리튬을 미리 추가하는 '사전 리튬화' 방법이 연구되고 있지만, 기존에 제시된 리튬 분말을 이용한 방법은 폭발 위험성 및 높은 비용이 걸림돌이었다.

이에 공동연구팀은 분말이 아닌 용액을 활용해 '사전 리튬화'를 위한 전처리 기술 연구에 나섰다. 그 결과, 새롭게 개발한 용액에 전극을 5분 정도 담그기만 해도 전자와 리튬이온이 음극 구조 내부로 들어가는 사전 리튬화에 성공했다.

연구팀에 따르면 용액을 활용한 전처리를 거친 실리콘계 음극은 첫 충전 시 리튬 손실이 1% 이내로 감소하여 99%를 상회하는 높은 초기 효율을 보였다. 이러한 방식으로 처리한 음극을 이용해 배터리를 제작한 결과 상용 배터리 대비 25% 높은 에너지밀도를 얻었다.

사전 리튬화 공정

전기차 배터리 용량

전기차주행거리 비교(배터리용량순)

참고자료

• SDI STORY, 〈알쏭달쏭 배터리에 사용되는 용어정리〉, 《삼성SDI》, 2015-06-04
• 선민규 기자, 〈[https://zdnet.co.kr/view/?no=20200602111342 전기차 배터리 용량 25% 늘리는 기술 나왔다〉, 《지디넷코리아》, 2020-06-02
• 민서연 기자, 〈전기차 주행거리 전쟁… 1회 충전으로 가장 멀리 가는 차는?〉, 《조선비즈》, 2020-11-28
• 이강준 기자, 〈"전기차 제로백이 3.2초"…포르쉐 '타이칸 터보' 국내 공식 출시〉, 《머니투데이》, 2021-06-03
• 변지희 기자, 〈40일만에 사전예약만 3만대… 기아 전기차 ‘EV6’ 최초 실물 공개〉, 《조선비즈》, 2021-06-03
• 〈전고체 배터리란 무엇일까?〉
• 김경수 연구원, 〈오토저널 전기자동차용 배터리의 기술 현황 및 이슈〉, 《글로벌오토뉴스》, 2018-04-10
• 김한수 연구원, 〈오토저널 차세대 배터리 : 차세대 xEV 배터리 기술〉, 《다나와 자동차》, 2020-11-02

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