지난달 초 중국의 한 부두에 있는 버려진 컨테이너에서 발견된 전기차 3대가 화제가 됐다. 이 차량들은 테슬라의 첫 모델인 2010년형 로드스터 신차로서 13년전에 컨테이너 안에 버려진 것이었다가 현 주인에 의해 발견돼 입찰에 부쳐지게 됐다고 한다. 미 경제뉴스 사이트 비즈니스 인사이더 보도에 따르면 테슬라 수리 전문 업체인 ‘그루버 모터 컴퍼니’ 판매를 중개한 이 차량 가격이 무려 9억원이 넘어 화제가 됐지만 사람들의 또다른 관심사는 과연 이 차의 배터리가 작동될지 여부였을 것이다. 결론적으로 말하자면 교체해야 작동할 가능성이 크다. 최근 주변에 전기차가 심심찮게 보이고 있다. 사람들이 중고 테슬라나 다른 전기 자동차 브랜드를 구매하고 있기 때문에 배터리 수명은 큰 관심사다. 배터리는 전기차 가치의 50~70%를 차지하는 리튬이온 블랙박스다. 배터리가 방전되면 자동차도 ‘죽는’ 게 현실이다. 과연 전기차 주행거리와 사용 수명은 어느 정도 되는지, 전기차 배터리는 어떻게 소진되는지, 어떻게 하면 수명저하를 최대한 늦출수 있는지, 대표적 자동차들은 배터리 수명에 대한 어떤 평가를 받고 있는지 궁금해진다.

최근 미국 전기차 커뮤니티인 리커런트가 이같은 의문을 해결해 줄 자료를 공개했다. 이 커뮤니티는 1만5000명의 회원들이 보유한 전기차를 대상으로 리콜 상태, 소유자 자체 보고서 및 종종 교체 이벤트를 나타내는 차량 범위의 비정상적인 점프를 관찰해 시간 경과에 따른 배터리 교체를 추적했다. 이를 바탕으로 닛산 리프, 벤츠 모델S, 테슬라 모델 3,BMW i3, GM 쉐비 볼트 전기차의 배터리에 대해서도 평가하고 있다. 특히 거의 10년 동안 운행중인 닛산 리프와 테슬라 모델 S의 구형 모델에 대한 정보는 주목할 만하다. 이 사이트 보고서 내용은 일부 제조사 및 모델 연도의 제한된 데이터여서 도로 위를 달리는 모든 전기차를 대표하는 것은 아니지만 전기차 수명을 관찰해 볼 수 있는 소중한 데이터임에는 틀림이 없다. 이 보고서를 바탕으로 전기차와 전기 배터리에 대한 궁금증을 3회에 걸쳐 알아 본다.

[전기차 시대, 배터리가 궁금하다]① 도대체 전기차 배터리가 뭐길래

[전기차 시대, 배터리가 궁금하다]② 배터리 수명 저하시키는 5대 요인

[전기차 시대, 배터리가 궁금하다]③ 생각보다 오래간다···5개 모델 평가

전기차 배터리 상태가 뭐길래

배터리 상태(battery health)는 정확히 파악하기 어려운 개념이다. 직관적으로 배터리가 새것과 비교해 얼마나 성능이 좋은지를 의미한다. 하지만 정확한 계량화 방법은 누구에게 묻느냐에 따라 달라진다. 배터리 과학 문헌에서는 일반적으로 ‘건강 상태’, 또는 SoH(State of Health)라고 한다.

배터리 상태를 설명하는 가장 쉬운 방법 중 하나는 원래 배터리 용량(kWh)과 현재 배터리 용량을 비교하는 것이다. 원래 용량과 현재 용량 사이의 변화는 어느 정도 용량이 떨어졌거나 배터리가 저장할 수 있는 총 가용 리튬이 손실됐음을 나타낸다. 리튬이 배터리의 동력원이기 때문에 손실이 발생하면 에너지가 감소한다.

배터리 용량은 배터리 팩의 ‘에너지 유입’ 및 ‘에너지 유출’에 대한 추정을 포함해 다양한 방법으로 테스트할 수 있다.

배터리의 측정 용량은 온도, 충전 또는 방전 속도, 배터리 사용되고 있는지 충전됐는지 여부, 배터리 충전 상태(SoC,State of Charge)에 따라 달라진다. 배터리를 0%에서 100%까지 충전할 때마다 동일한 kWh가 나오지 않을 수 있다.

배터리 상태를 좀 더 미묘한 방법으로 살펴보면 파워 감소 또는 배터리 성능을 저하시킬 수 있는 내부 저항을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 배터리에서 2차적으로 유해한 화학 반응이 일어나 에너지의 자유로운 흐름을 방해할 때 나타난다. 파워 감소는 용량 감소를 동반하는 경향이 있지만 진단하기가 더 어렵고 종종 실험실 및 진단 테스트가 필요하다.

진정한 배터리 상태는 용량 감소와 파워 감소의 조합일 가능성이 높다. 하지만 전기차 운전자들에게 이는 자신의 차가 새 차만큼 빠르게 가속하고 멀리 갈 수 있는지 여부로 해석된다.

일반적인 배터리 메커니즘에 열화의 비밀이 있다

전기차 배터리가 어떻게 열화하는지 알기 위해선 몇가지 사항을 알아둘 필요가 있다.

첫째, 배터리가 매우 높은 수준에서 어떻게 작동하는지 아는 것이 중요하다.

배터리는 물리적 및 화학적 프로세스를 모두 사용해 에너지를 저장하고 전달한다.

리튬 전지에서 리튬은 활성 물질이고 이온이라고 불리는 전하를 띤 리튬 입자는 양극과 음극 두 개의 노드 사이를 오가며 전기를 생산한다.

음극은 일반적으로 연필심에서 발견되는 것과 유사하게 흑연으로 만들어진다. 음극에서 리튬은 흑연의 탄소 시트 사이를 이동한다. 이처럼 층상구조가 있는 물질의 층간에 분자, 원자와 이온이 삽입되는 물리적 과정을 인터칼레이션(intercalation)이라고 한다. 충전하는 동안 리튬은 음극의 이러한 탄소 시트 사이에 저장된다. 방전 중에 리튬은 음극을 떠나 이온상태로 전해질로 들어간다. 전해질은 일반적으로 음극과 양극 사이의 액체 완충제다. 여기서 리튬 이온은 일종의 이온 수프로 용해돼 음극으로 이동하는 데 도움이 된다.

리튬 이온이 양극으로 가는 동안, 전자는 휴대폰이나 모터와 같은 장치를 통해 이동해 전력을 공급한다. 전자와 이온은 양극에서 다시 만나게 되는데, 음극은 전형적으로 산소, 금속, 리튬 원자의 복합 재료랄 수 있다. 리튬은 음극에서처럼 인터컬레이션하는 대신 물질과 화학적으로 반응한다.

마지막으로, 리튬 이온 배터리의 매우 중요한 측면은 음극과 양극에 고체 전극 전해질 계면 (SEI)으로 불리는 박막의 개발이다. 이 고체 필름은 배터리가 처음 만들어질 때 형성된다. 배터리의 일부 리튬은 노드와 만나는 곳에서 전해질과 반응한다. 처음에 층이 형성되면 리튬을 소비해 초기 용량 손실을 초래한다. 그러나 일단 형성된 건강한 SEI 층은 2차 반응을 늦추는 역할을 하며 이는 배터리 수명에 중요하다.

배터리 열화현상의 원리

배터리는 몇 가지 방식으로 열화된다. 모든 것이 정상적이고 피할 수 없는 것이지만, 일부는 배터리 사용 및 저장 방식으로 인해 가속된다. 예를 들어 모든 배터리가 경험하는 기본 성능 저하는 노화 때문이며 시간경과에 따른 노화(calendar aging)이라고 불린다. 배터리를 사용했는지 여부는 중요하지 않다.

선반에 그대로 놓여 있는 배터리라도 시간 경과에 따라 성능이 저하된다.

배터리는 몇 가지 방식으로 열화된다. 모든 것이 정상적이고 피할 수 없는 것이지만, 일부는 배터리 사용 및 저장 방식으로 인해 가속화한다.

배터리 작동을 유발하는 화학 반응 외에도 배터리 내부에서 발생하는 불가피한 2차 반응도 있다. 이는 정상적인 현상이지만 이를 최소화할 수 있는 단계를 밟을 수 있다.

모든 배터리는 어느 정도의 용량감소와 전력 감소를 경험하지만, 이를 가속화할 수 있는 특정 요소가 있다.

배터리 열화는 직선으로 저하되지 않는다

그렇다면 배터리 상태는 어떻게 저하될까.

배터리 상태는 직선으로 저하되지 않는다. 새로운 리튬 이온 배터리가 처음 사용될 때 즉각 짧지만 극적으로 상태가 저하될 수 있다. 하지만 이것은 지극히 정상적이다.

이러한 현상은 배터리 내의 리튬염 중 일부가 다른 물질과 반응해 보호 SEI 층을 형성하기 때문에 발생한다. 리커런트의 관찰 결과에 따르면 이 열화의 첫 단계는 처음 10~20000마일 동안만 지속된다.

이 초기 보호층이 형성된 뒤에는 배터리 성능저하 레벨이 떨어지고 그리고 나서 천천히 일직선으로 감소한다.

이것이 대다수 전기차 소유자들과 운전자들이 차를 타면서 보게 될 현상이다.

제대로 작동하는 배터리에서는 성능 저하가 제한적이며 단기간에 감지하기가 어렵다. 그것은 몇 년이 지나야 알아차릴 수 있다. 또한 제조업체는 배터리가 노화됨에 따라 더 많은 양의 배터리를 사용할 수 있으므로 단기적으로 일부 성능 저하 효과를 방지할 수 있다.

마지막으로, 배터리가 수명을 다함에 따라 용량과 성능이 급격하게 떨어지게 된다. (물론 대부분의 전기차 운전자는 고전압 배터리가 약 70%만 비어 있으면 고장으로 간주하기 때문에 이러한 현상을 절대로 볼 수 없다!)

리커런트는 조사대상 커뮤니티 차량을 포함한 대다수 전기차 운전자들이 그렇게까지 배터리가 열화되는 것을 보지 못했다고 밝히고 있다. 그 수준이라면 대부분의 자동차가 배터리를 교체할 필요가 있는 시점이기 때문이라는 것이다. 또 이러한 고장 지점에 도달할 만큼 오랫동안 도로를 주행한 최신 전기차는 거의 없다.

전기차 배터리의 세컨드 라이프

자동차 배터리 수명에 대한 궁금증 가운데 빠질 수 있는 큰 질문은 사용된 배터리를 어떻게 처리하느냐일 것이다.

이는 리튬 이온 배터리 제작 재료와 노동력은 미미하지 않고, 많은 화학물질들은 비싸고, 독성이 있고, 추출하고 재사용하기 어렵다는 점 때문이다.

자동차 제조업체들은 오래된 전기차 배터리로 무엇을 할 수 있고, 향후 전기차에 사용된 산더미처럼 쌓일 배터리는 어떻게 될 것인가.

한 가지 고려 사항은 배터리가 열화됨에 따라 더 이상 자동차에 유용하지 않은 시점에 도달하지만 동일한 전력을 필요로 하지 않는 다른 용도를 위해 전기를 저장하고 생성할 수 있다는 것이다.

닛산은 가로등에 전력을 공급하기 위해 오래된 리프 배터리를 사용하는 프로젝트를 진행하고 있으며, B2U라는 회사는 이 배터리를 이용해 스토리지(전력저장장치)를 제작했다. GM은 미시간주에 있는 데이터 센터를 백업하기 위해 배터리를 사용한다.

오래된 전기차 배터리를 함께 연결하면 재생 에너지를 위한 스토리지를 제공하고 그리드 복원력을 지원하거나 비상용 백업 전원으로 사용될 수 있을 것이라는 희망이 있다.

차량 제조업체들이 배터리를 보유하고 재사용하기 위한 계획을 고안함에 따라, 그들은 다른 산업으로 확장하고 차량 너머의 분야로 전기를 공급하기 위해 노력하고 있음을 알 수 있다.

그렇다면 배터리 성능저하를 가져오는 요인은 뭘까. 다음회에서 알아보자.