환경문제와 함께 글로벌 경제 중심으로 떠오른 전기자동차 시장의 핵심으로 꼽히는 전기차 배터리에 대한 비교 분석 자료가 공개돼 이목을 끌고 있다.
독일 과학자들이 궁금증을 해소하기 위해 글로벌 전기차 시장의 양대 산맥처럼 느껴지는 미극의 테슬라와 중국의 BYD 전기차 배터리를 분해해 이를 분석한 자료를 최근 공개했다.
전기차에는 충·방전이 가능한 2차 전지인 리튬이온 배터리가 들어가는데 리튬이온 배터리는 기본적으로 양극과 음극, 두 전극 사이를 분리하는 분리막으로 구성되며 음극의 리튬 이온이 액체 전해질을 통해 양극으로 이동하면서 반대 방향으로 전자를 이동시켜 전류를 발생하는 원리를 갖고 있다.
무엇보다 배터리 제조사는 배터리의 기본적인 성능과 사양 정보를 포함한 데이터 시트를 공개해야 하지만 배터리의 세부적인 기계 구조나 충·방전, 발열 특성 등은 공개되지 않는 경우가 많다.
이에 독일 연구진은 글로벌 시장에서 가장 많이ㅏ 사용되고 있는 테슬라의 4680 배터리와 비야디의 블레이드 배터리를 해부해 기계적 디자인부터 크기, 전극 소재의 구성, 전기·열 성능을 평가하고 배터리 조립 과정과 원자재 비용까지 분석하고 결과를 공개했다.
7일 국제 학술지 ‘셀 리포트 물리 과학(Cell Reports Physical Science)’에 실린 해당 연구 및 분석 자료에서 아힘 캄프커(Achim Kampker) 독일 아헨공대 전기차부품생산공학연구소장 연구진은 “두 회사의 배터리를 직접 해부해 비교 분석한 결과 테슬라는 성능, 비야디는 경제성에 초점을 맞춘 것을 확인했다“고 밝혔다.
‘셀 리포트 물리 과학’에 실린 자료에 따르면 테슬라의 4680 배터리는 지름 46㎜, 길이 80㎜인 원통형 배터리고 비야디의 블레이드 배터리는 길고 얇은 칼날(Blade) 형태의 배터리로 두 배터리는 설계 철학 자체가 근본적으로 달랐다. 테슬라의 배터리는 고에너지 밀도와 성능을 우선시하는 반면 비야디의 배터리는 공간 활용을 극대화하고 제조 비용을 낮추는 데 중점을 둔 것으로 나타났다.
사진=국제 학술지 ‘셀 리포트 물리 과학(Cell Reports Physical Science)’
특히 양극 기반에서부터 비야디의 블레이드 배터리는 ‘리튬·인산·철(LFP)’이 결합된 반면 테슬라 4680 배터리는 리튬에 ‘니켈·망간·코발트(NMC811)’를 결합된 것으로 나타났으며 그 결과 NMC811은 더 높은 에너지 밀도를 제공하지만 LFP는 안정성이 뛰어나고 원재료의 가격이 저렴한 것이 특징으로 꼽혔다.
또한 이 두 배터리를 비교한 결과 테슬라 4680 배터리는 비야디 블레이드 배터리보다 △1.5배 높은 무게당 에너지 밀도 △1.8배 높은 부피당 에너지 밀도를 통해 △고용량 에너지 저장 능력 △긴 주행거리 확보 △충·방전 효율이 높아 장기적인 안정성 등이 장점으로 꼽혔으며 단점으로는 동일한 부하에서 비야디 블레이드 배터리보다 2배 많은 열을 발생시키면서 추가적인 냉각 시스템이 반드시 필요했다.
아울러 배터리 조립 방식에서도 비야디 블레이드 배터리는 전극을 층층이 쌓는 ‘전극 스택’ 방식을 적용하면서 분리막의 가장자리를 ‘래미네이팅(코팅) 처리’해 배터리 수명을 늘리고 안전성을 높힌 반면 테슬라는 기존 배터리 제조사가 사용하는 것과는 다른 새로운 바인더를 사용했다. 바인더는 배터리 내부에서 전극 물질을 서로 붙잡아 주는 접착제 역할을 한다.
이 외에도 테슬라 4680 배터리는 전극을 연결하는 기술로 레이저 용접을 사용했지만 비야디 블레이드 배터리는 레이저 용접과 초음파 용접 두 가지 기술을 결합해 전극을 접합해 용접방식까지도 서로 다른 모습을 보였다.
다만 두 배터리 모두 성능을 높이는 핵심 소재로 알려진 실리콘을 사용하지 않으면서 실리콘 사용시 발생할 수 있는 팽창으로 인한 수명 단축 문제는 제거한 것으로 나타났다.
한편 현재 테슬라 4680 배터리는 자체 공장과 파나소닉, LG에너지솔루션에서 대량 생산하고 있으며 비야디 블레이드 배터리는 비야디의 자회사인 ‘핀 드림스 배터리(FDB)’가 전량 생산을 담당한다.