[전기차] 내연기관차비교, 전기차배터리구성, 종류, 제조업체별타입, 리튬이온배터리 등

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◆ 전기차란?

전기만을 동력으로 하여 움직이는 차

 

 

 

◆ 전기차로 대체되는 이유는?

내연기관차의 배기가스 배출로 인한 환경오염과 자원부족 문제가 심각히 대두되면서

1990년대부터 각국 자동차 업체들의 전기차 개발 경쟁이 치열하게 전개 됨

 

 

 

◆ 내연기관차 vs 전기차

구분	내연기관차	전기차
동력원 및 구동방식	가솔린, 디젤, LPG 등 화석 연료의 폭발력을 이용해 엔진 구동 방식	대용량 배터리에 축적된 전기를 이용해 모터를 움직이는 방식
제원의 표시단위	hp(출력)와 kgㆍm(토크)	kW(출력)와 Nm(토크)
토크 전달방식	엑셀을 밟았을 때 서서히 최대 토크에 도달	엑셀을 밟았을 때 곧바로 최대토크에 도달
연료 저장공간	연료탱크에 기름을 저장하는 방식	배터리에 전기를 충전해 저장하는 방식

 

출처: 뉴스핌

 

 

◆ 전기차 배터리 구성

- 배터리를 모으는 단위인 '셀(Cell) → 모듈(Module) → 팩(Pack)'으로 구성

- 배터리 '셀(Cell)'을 여러개 묶어서 '모듈(Module)'을 만들고, 모듈을 여러개 묶어서 '팩(Pack)'으로 구성됨

- 전기차는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 들어가게 됨

구분	정의
배터리 셀(Cell)	전기에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위. 양극, 음극, 분리막, 전해액을 사각형의 알루미늄 케이스에 넣어 만듦
배터리 모듈(Module)	배터리 셀(Cell)을 외부충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체.
배터리 팩(Pack)	전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종형태.  배터리 모듈에 BMS(Battery Management System), 냉각시스템 등 각종 제어 및 시스템을 장착하여 완성됨.

[삼성SDI 전기차용 배터리 셀, 모듈, 팩] / 출처: 삼성SDI

 

※ 전기차에 최종적으로 탑재되는 형태는 팩 형태이기 때문에, 팩의 스펙이 전기차의 전반적인 디자인과 긴밀한 관계를 갖는다.  배터리 팩이 얼마나 슬림하냐에 따라 전기차의 디자인이 더 멋있게 바뀔 수 있으므로 배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 것은 기본이고, 이제는 '모듈과 팩' 디자인 경쟁이 치열해 질 수 밖에 없는 이유이다.

 

 

 

 

 

 

◆ 전기차 배터리 종류

구분	소재	장점	단점
각형 배터리 (안정성 뛰어남)	ㆍ단단한 알루미늄 캔 ㆍ배터리 소재 접어 만든 '젤리롤' ㆍ여러개 쌓을 수 있는 납작한 형태 ㆍ내부 공간 남음	ㆍ알루미늄 캔 사용해 충격에 강함 ㆍ젤리롤 사용해 대량 생산 용이	ㆍ공간 효율 낮아 에너지 밀도 저하 ㆍ무게 무거움
파우치형 배터리 (충전 용량 큼)	ㆍ부드러운 필름으로 포장 ㆍ쌓아올린 배터리 소재 ㆍ내부공간 꽉참, 얇음	ㆍ공간 효율 좋아 에너지 밀도 높음 ㆍ다양한 배터리 디자인 가능	ㆍ공정 복잡하고 대량 생산 불리 ㆍ생산비용 비싸고 충격에 약함
원통형 배터리 (규격화된 사이즈)	ㆍ배터리 소재 감아 만든    '젤리롤' 1개 ㆍ작은크기	ㆍ가격 저렴하고 대량 생산 용이 ㆍ부피당 에너지 밀도 높음	ㆍ고가의 배터리 시스템 구축 비용 ㆍ대형으로 만들기 어려움

 

 

 

◆ 전기차 배터리 제조업체별 타입

구분	각형	파우치형	원통형
형태
제조사	CATL, 삼성SDI,  노스볼트, BYD	LG에너지솔루션, SK이노베이션	파나소닉, LG에너지솔루션
완성차업체	BMW, 벤처, 폭스바겐, 아우디, 포르쉐, 페라리	현대기아차, GM, 포드, 르노, 볼보, 폭스바겐	테슬라

 

 

 

 

 

◆ 리튬이온 배터리 구성요소 

양극재, 음극재, 분리막, 전해질(전해액)로 구성

 

출처: 삼성SDI

 

◇ 양극재

- 배터리의 용량과 출력을 결정하는 주요 소재

- 니켈: 용량제고 (니켈 농도 80%이상의 '하이니켈' 배터리 대세)

- 망간: 안정성 향상

- 알루미늄: 출력 담당 

 

 

◇ 음극재

- 충전할 때 양극에서 나오는 리튬이온을 받아들이는 소재

- 흑연계와 실리콘계가 있음 (최근에는 에너지 밀도가 높은 실리콘에 주목)

 

 

◇ 전해질(전해액)

- 리튬이온이 이동할 수 있게하는 매개체

- 배터리의 충전과 방전 기능 담당

 

 

◇ 분리막

- 양극과 음극을 분리하고 리튬이온만 통과하도록 만든 얇은 막

- 분리막 두께를 줄이는 것이 중요 (분리막이 얇으면 배터리 용량을 늘릴 수 있기 때문)

 

 

◇ 전지박

- 음극 부분에 씌우는 얇은 구리박

- 내부의 열을 외부로 방출시키고 형상을 유지하는 지지체 역할.

 

 

 

 

 

 

◆ 리튬이온 배터리 생산공정

전극공정 → 조립공정 → 활성화공정 → 테스트공정

 

 

◇ 전극공정

- 양극과 음극 전극판을 만드는 과정

- 롤투롤: 전극 코팅 밀도를 높이고 소재 변형을 최소화 시키는 기술

             회전하는 롤에 소재 물질을 감아 도포하는 것

             매우 까다로운 기술이라 일본 기업이 주도

 

 

◇ 조립공정

- 배터리 형태를 만드는 과정

- 양극과 음극을 구성하는 물질이 전기를 발생시키는 활동을 시작

 

 

◇ 테스트공정

- 엑스레이 장비를 통해 배터리 불량 여부를 검사

 

 

 

 

 

 

◆ 전기차 글로벌 배터리 시장 동향

2016년 15조원에서 2020년 40조원으로 약 2.5배 이상 증가하였으며, 

시장조사업체인 SNE리서치에 따르면 전기차 글로벌 배터리 시장 규모는 2025년에는 142조원까지 커질 것으로 전망