리튬이온전지, 테슬라 모델3 최대 주행거리 약 500㎞… 타사 250∼400㎞
배터리 충전 횟수↑, 최대 주행거리↓… 급속충전도 배터리에 부담가중
안전·성능·내구성 다 잡은 ‘전고체 배터리’ 개발 총력… 상용화 시점은 미지수
시사위크=제갈민 기자 전기차는 1회 완전충전 시 최대 주행가능 거리가 경쟁력으로 꼽힌다. 충전을 자주하지 않아도 되고 장시간 및 장거리 주행에도 불편함이 적기 때문이다. 이와 함께 내구성이 문제점으로 꼽힌다. 현재 전기차에는 보통 리튬이온배터리가 사용되는데, 이 배터리는 충전과 방전을 반복할 시 효율이 저하되는 특성을 지녔다. 이에 자동차업계와 배터리 제조사는 효율이 높고 충·방전을 반복해도 주행거리가 저하되지 않는 배터리 개발에 몰두하고 있다.
현재 자동차업계는 전기차를 개발할 때 전기차 시장에서 판매량 1위를 달리고 있는 테슬라를 타깃으로 하고 있다. 테슬라에서 개발해 판매 중인 전기차 모델3 롱레인지 HPC(히트펌프)는 1회 완충 시 최대 주행거리가 상온 약 496㎞, 저온 438㎞에 달한다. 운전 스타일이나 주행환경 등에 따라 차이는 발생할 수 있으나, 이론상으로 연 2만㎞를 주행할 시 약 40~45회, 월 4~5회 정도만 충전하면 된다.
테슬라 외 타 자동차 브랜드에서 출시한 전기차의 1회 완충 시 최대 주행거리는 보통 250~400㎞ 수준이다. 같은 거리를 주행하거나 장거리 주행 시 테슬라 차량 대비 상대적으로 충전 횟수가 더 잦을 수밖에 없다.
이는 소비자들에게는 불편으로 다가온다. 고속도로를 이용해 장거리 주행을 할 시 목적지에 도착하기 전에 충전을 해야 하는 상황이 닥친다면 휴게소에 들러 수십분을 허비해야 한다. 전기차 충전기가 고장 나 있거나 충전기를 타 차량이 이용하고 있다면 난감한 상황에 처할 수도 있다.
또 충전 횟수가 늘어나면 향후 차량의 최대 주행거리가 짧아질 수 있어 여러모로 문제로 이어질 수 있다. 배터리 성능 저하는 중고차 매각 시 감가상각으로 작용할 수 있다. 특히나 전기차는 배터리를 교체할 때 비용이 국산차 기준 약 2,000만원 이상에 달하는 것으로 알려진다.
이러한 문제로 인해 전기차는 중고차로 구매하지 않겠다는 이들도 적지 않은 것으로 알려진다.
국내 한 배터리 업체의 관계자는 “테슬라의 전기차나 국내 자동차 업계나 수입차 브랜드에서 출시하는 전기차에 장착되는 배터리는 대부분이 리튬이온배터리로 성능은 비슷하다”며 “그럼에도 최대 주행거리에서 차이를 보이는 이유는 장착하는 배터리 용량에서 차이가 발생하거나 차체 무게, 차량의 공기저항 등 때문으로 볼 수 있다”고 말했다.
이어 “주행가능 거리가 짧으면 충전을 더 자주해야 하는 문제가 있는데, 충전과 방전을 반복하면 할수록 배터리의 효율은 저하된다”며 “휴대폰에도 리튬이온배터리가 쓰이는데 1일 1사이클을 이용한다고 할 경우 약 2년까지는 최초 성능의 80% 정도는 유지를 할 수 있으나 이 시점을 넘어서면 성능이 급격히 감소한다. 이는 리튬이온전지의 특성이라 현재 기술력으로는 문제점을 해결하기가 힘들다”고 설명했다.
급속 충전에 대해서도 지적했다. 그는 “전기차든 스마트폰이든 충전하는 방법은 완속과 급속 두 가지가 있는데, 급속 충전을 자주 이용하면 배터리 성능 저하가 빨라진다”며 “순간적으로 다량의 전기를 주입하면 완속 충전 대비 배터리에 부하가 더 걸릴 수 있고, 이 경우 저항값이 높아질 수 있으며 발열이 발생할 가능성도 높다. 이는 어떠한 배터리든 동일하다”고 꼬집었다.
최근에는 리튬이온배터리의 대안으로 ‘전고체 전지’가 떠오르고 있다. 전고체 전지는 리튬이온배터리의 단점을 보완한 제품이지만, 당장 상용화 단계까지 개발은 이뤄지지 않은 것으로 알려진다.
전고체 배터리는 고체 전해질을 사용해 액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리 대비 구조상 충격, 훼손 등에 강해진다. 전해질이 일부 손상되더라도 배터리가 정상적으로 작동할 수 있다. 액체 대비 고체가 밀도가 높은 점을 감안하면 에너지밀도 부분에서도 유리하게 작용할 전망이다. 에너지밀도가 향상되면 주행거리를 증대할 수 있다. 위험은 낮추고 성능은 높이는 배터리인 셈이다.
전고체 배터리는 충전 속도도 더 빠르다. 약 10분 정도만에 방전 상태에서 완충이 가능하고, 1회 충전 시 최대 약 800㎞ 주행, 1,000회 이상 재충전이 가능할 것이라는 게 업계의 전반적인 전망이다.
배터리 업계 관계자는 “전고체 배터리가 리튬이온배터리를 대체할 수 있을지 확신은 못하지만 가능성이 높은 만큼 여러 업체와 해외 기업들에서도 개발을 행하고 있다”며 “다만 현재 개발 수준이 어느 정도인지 상세한 설명은 불가능하다”고 말했다.
한편, 국내 전고체 배터리 개발은 삼성에서 주도하고 있다. 지난해 3월, 삼성종합기술원은 전고체 배터리 원천기술을 공개했고 삼성SDI에서 개발을 이어오고 있다. 한솔케미칼도 거론된다. 한솔케미칼은 전고체 배터리용 핵심소재인 황화물계 고체 전해질의 특허를 현대자동차와 공동 출원해 향후 큰 수혜가 예상된다.