전기는 생산하는 즉시 사용해야 합니다. 그래서 전국에 있는 발전소는 소비량에 비례해서 발전소의 발전기를 돌리죠. 켜고 끄기가 쉽지 않고 많은 비용이 드는 원자력 발전소를 기본 베이스 위에 전기를 많이 소모하는 시간이나 계절에 따라서 전국의 석탄 화력 또는 LNG 발전소가 가동이 됩니다. 이렇게 하는 이유는 전기를 생산해서 저장할 수 없기 때문입니다. 전기를 저장할 수 있다면 바람이 많이 불고 태양광이 많이 내리치는 날이나 석유나 LNG 가격 저렴할 때 대량으로 전기를 생산 저장했다가 LNG 가격 폭등할 때 저장한 전기를 사용하겠죠. 그러나 그게 불가능 합니다. 단 저장하는 방법은 있습니다. 바로 배터리입니다.
배터리는 전기를 저장했다가 사용할 수 있습니다. 다만 이 배터리는 가격이 비싸서 모바일 기기인 스마트폰이나 태블릿이나 노트북에서 사용하는 정도이지 국가 단위의 거대한 전기 소비처용으로는 사용할 수 없습니다. 다만 배터리를 사용하는 곳이 많아지면서 배터리 시장이 커지고 있습니다. 대표적인 곳이 자동차입니다. 자동차에 배터리를 달고 전기로 달리는 전기자동차 수요가 폭발적으로 늘고 있습니다.
여기에 남는 전기를 배터리에 저장하는 ESS같은 대형 배터리 저장공간을 나오고는 있지만 궁극적으로 엄청나게 많이 남는 전기를 저장하는 용도는 아닙니다. 그래서 요즘 뜨고 있는 것이 수소경제입니다. 남는 전기로 물을 전기 분해하면 수소와 산소가 나오는데 나오는 수소를 저장했다가 수소와 산소를 결합해서 전기를 생산하고 그 전기로 달리는 수소전기차가 현재 우리 주변에 달리고 있습니다. 다만 수소를 구하기 쉽지 않고 수소전기차가 비싸다는 점이 걸림돌입니다.
전기차의 문제점 중 가장 큰 문제점 열폭주 화재
요즘 전기차 참 많이 타고 다닙니다. 다만 뭐든 초기 얼리어댑터들이 제품을 사고 나면 일반 사람들이 사야 하는데 요즘 전기차 보조금도 줄고 전기요금도 오르면서 구매가 주춤하고 있습니다. 전 세계적으로 전기차의 열기가 식고 있습니다. 그래서 역시 하이브리드가 옳았어!라면서 도요타를 극찬하는 분위기도 있습니다.
전기차는 여러가지 장점도 있지만 문제점도 있습니다. 진동이 없고 급가속력 제로백이 아주 좋지만 제동회생 장치 때문에 급가속 급정거가 내연기관차보다 많아서 울컹거림이 많고 그래서 멀미가 난다는 분들도 많습니다. 또한 내연기관차보다 1.5배나 무거워서 타이어도 전용 타이어 써야 합니다. 전기차 값의 반 이상이 배터리 무게와 가격이라고 하잖아요. 따라서 전기차는 배터리 기술 향상이 전기차의 향상이라고 할 수 있습니다.
전기차의 가장 큰 문제점은 열폭주 화재입니다. 일반 가솔린 차량은 물만 뿌리면 쉽게 꺼지지만 전기차 배터리가 열폭주가 일어나면 물로 꺼지지가 않습니다. 배터리의 열폭주 화재를 끄려면 배터리의 온도를 낮춰야 합니다. 그래서 요즘은 소방서에서 불난 전기차 자동차 둘레에 물받이를 만들어서 그 안에 물을 채워서 배터리 온도를 낮춰서 화재를 끕니다. 이런 열폭주로 인해 지하주차장에서 열폭주 전기차 화재가 일어나면 난리가 납니다. 천상 전기차를 지상으로 끌어낸 후에 꺼야 합니다.
삼성SDI가 2027년 상용화를 목표로 개발 중인 전고체배터리
우리가 사용하는 리튬 이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있습니다. 이는 스마트폰에서 사용하는 배터리, 전기차 배터리, 무선 이어폰 배터리 모두 동일합니다. 리튬 이온 배터리는 양극과 음극 사이에 에너지를 전달하는 매체를 액체 전해질 용액을 사용합니다. 다만 이 액체가 서로 섞이지 않게 가운데 아주 얇지만 아주 작은 구멍이 있어서 이온 전자만 이동할 수 있습니다. 그런데 이 가운데 있떤 얇은 전해질 분리막이 찢어지면 양쪽 전해질이 섞이게 되고 화학 반응이 일어나 열폭주 후 화재가 발생합니다. 그래서 전기차는 드물지만 충돌 후에 큰 화재가 나기도 합니다. 이게 문제죠.
이 액체 전해질이 문제입니다. 이게 분리막 터지고 섞이면 화재가 날 수 있습니다. 이 액체 전해질을 고체로 만든 것이 전고체 배터리입니다. 위 이미지에서 오른쪽이 전고체 배터리(Solid State Battery)입니다. 전고체 배터리는 고체라서 액체가 섞이지 못하게 하는 분리막이 필요 없습니다. 따라서 열폭주 현상이 현저하게 줄어들 수 있습니다.
전고체 배터리의 장점
전고체 배터리의 장점은 크게 2가지입니다. 열폭주 현상이 줄어서 충돌 및 각종 환경에서도 화재가 발생하지 않습니다.
또 하나는 보다 적은 용량에 더 많은 에너지를 넣을 수 있어서 보다 긴 주행거리를 제공할 수 있습니다. 즉 에너지 밀도를 더 높일 수 있습니다.
공간 활용도도 더 좋을 수 밖에 없습니다. 각종 냉각 부품이나 분리막 같은 것이 사라지기에 보다 효율적인 공간 활용을 할 수 있습니다. 테슬라 같은 경우 원통형 배터리를 여러개 묶어서 사용하는데 이렇게 하는 이유는 충돌시 원통형 배터리가 분리되기기도 쉽고 화재나 충돌에도 차량 화재에 좀 더 좋기 때문이라고도 하죠. 물론 효율도 좋습니다.
이렇게 전고체 배터리는 에너지 밀도가 높아서 배터리 부피를 더 줄이면서도 더 많은 에너지로 더 멀리 달릴 수 있고 전기차화재가 크게 줄어들기 때문에 미래의 배터리라고 하고 있습니다. 한국 정부도 이 전고체 배터리를 미래 먹거리 및 전략 기술로 지정했습니다. 이 전고체 배터리 시장은 SK온, LG엔솔, 삼성SDI가 뛰어 들었는데 가장 기술력이 앞선 곳은 가장 먼저 뛰어든 삼성SDI입니다. 2027년 상용화를 목표로 오늘도 열심히 개발하고 있습니다.
그러나 넘어야 할 산이 많습니다. 제작 단가가 높은 것이 가장 큰 문제죠. 전고체 배터리의 원재료인 황화리튬이 1kg에 1천 600만원으로 기존 리튬 이온보다 5배 이상 비쌉니다. 나온다고 해도 가격이 비싸서 한 번에 다 전고체 배터리로 바꾸기 어렵습니다. 다만 최근 한국 연구진들이 저렴한 전고체 배터리 재료를 속속 만들고 있습니다.
삼성SDI의 다양한 전기 배터리
이재용 삼성그룹 회장이자 삼성전자 회장이 10년 전에 미래 먹거리로 수 많은 것을 하겠다고 발표했죠. 태양광도 있었더라고요. 그런데 이중에서 삼성 그룹의 미래 먹거리로 큰 활약을 하는 것은 삼성SDI와 삼성바이오로직스 이 둘 밖에 없다고 합니다. 삼성SDI는 삼성전자의 스마트폰에 들어가는 배터리부터 시작해서 업력이 꽤 깊습니다. 그리고 지금은 전기차 배터리를 만들고 있죠.
한국의 전기차 배터리 3사는 각각 미는 배터리 형태가 다른데 LG엔솔은 길고 넓적한 파우치 형태를 주력으로 하고 LG엔솔에서 나온 연구진들이 대거 영입되어서 만들어진 SK온도 파우치입니다. 삼성SDI는 직사각형 블럭 형태의 각형 배터리를 밀고 있죠. 물론 3사가 각형, 파우치 형태로 만들 수 있습니다. 다만 주력이 아니죠. 그리고 배터리 제조사들은 전기차 제조사가 원하는 형태로 만들때도 있습니다. 최근 삼성SDI는 PRiMX라는 배터리 브랜드를 만들어서 홍보하고 있습니다.
이렇게 삼성SDI는 원통형 배터리도 잘 만듭니다.
이 배터리는 LMFP 배터리네요. 이 영문 알파벳은 배터리의 주요소재인데 LMFP는 니켈, 망간, 인산철을 이용합니다. 저가 배터리로 유명한 중국의 LFP에 망간을 넣어서 에너지밀도를 좀 더 높였습니다. 어떻게 보면 배터리 산업은 원재료 확보와 조합의 싸움 같기도 하네요.
각형도 크기와 형태가 조금씩 다르고 세대가 다릅니다. 물론 P5보다 P6이 에너지 밀도가 높네요.
삼성SDI의 각형 배터리는 위와 같이 자동차 바닥에 들어가는데 각 각형 배터리를 연결하고 제어해서 출력을 내고 달리게 됩니다.
삼성SDI는 BMW와 협력을 하고 있고 유럽의 몇몇 자동차 브랜드와 손을 잡고 있습니다. 한국 배터리 3사가 미국 유럽의 유명 자동차 브랜드와 손을 잡고 배터리 공장을 만든다 어쩐다고 하지만 전기차에 대한 열풍이 사그라들고 있고 미국 같은 경우 트럼프가 다시 미국 대통령이 되면 전기차 대신 다시 내연기관차가 더 인기를 끌 듯 합니다.
트럼프라는 인간은 지구온난화가 가짜뉴스라고 생각하는 인간입니다. 정말 트럼프가 당선되면 한국 경제에 끔찍한 일들이 많이 일어날 듯 하네요. 물론 지금 바이든 시대도 끔찍스럽지만요. 아니 우리가 번 돈으로 미국에 공장 지어주면 미국인들이나 좋지 우리가 좋을 게 없습니다. 고용 창출도 못하고요.
그래서 근 몇 년 간은 전기차 냉각기가 시작될 것으로 보이고 그걸 돌파하는 것이 전고체 배터리가 아닐까 합니다.
배터리는 여러 무선 디바이스에서 사용하죠. 생활 편의성을 대폭 향상 시킨 무선 청소기, 청소로봇 등등에도 당연히 배터리가 들어갑니다.
원통형 배터리도 크기가 다 다릅니다. 21700은 21mm 지름에 길이가 700mm인 배터리입니다. 숫자만 봐도 크기를 알 수 있죠.
무선 이어폰에는 이런 동전형 배터리가 들어가죠.
태블릿이나 스마트폰에는 이런 파우치형태가 들어가고요.
스마트 워치에도 파우치 형태로 들어가네요.
삼성 Z 폴더에는 2개가 들어가네요.
삼성SDI는 삼성전자라는 든든한 공급처가 있어서 좋아요.
삼성SDI의 또 하나의 먹거리인 ESS인데 배터리를 서버처럼 가득 쌓아 올렸습니다.
이렇게 콘테이너 형태로 들어가는 SBB도 있고요. 문제는 가끔 이 ESS가 화재가 납니다. 가끔 나지만 한번 나면 다 태우기에 ESS가 필요한가 하는 생각도 듭니다. 이쪽 사업은 수소 경제 시대가 되면 사라질 시장이기도 합니다. 남는 전기를 그냥 수소로 저장하거나 액체 형태인 암모니아로 저장했다가 사용하면 되니까요.
무정전 전원공급장치도 만드나 봅니다. 삼성SDI 부스에서 삼성SDI의 다양한 제품을 만나볼 수 있어서 소개했습니다.
