[알아봅시다①]전기차 배터리 충전 시간은 왜 다를까?

[서울=뉴시스]전기차용 배터리 구성도 (이미지=삼성SDI 제공)

[서울=뉴시스] 최희정 기자 = 전기차를 움직이려면 스마트폰의 수천 배에 달하는 엄청난 양의 전기가 필요하다.

일반 스마트폰 배터리 용량인 5000mA(밀리암페어)를 환산하면 18.5Wh(와트) 정도인데, 최근 출시된 전기차(EV) BMW iX 엑스드라이브 50 용량 111.5kWh와 비교하면 6000배 이상 차이가 난다.

그렇다면 전기차 속 배터리는 어떤 형태일까?

전기차 배터리의 2단 변신…'모듈'과 '팩'

전기차를 해체해 보면 가장 큰 배터리 부품을 확인할 수 있다. 바로 '팩(Pack)'이다. 이 팩을 열어보면 '모듈(Module)'이 있고, 그 속에 '셀(Cell)'이 들어 있다. '셀'은 두 번의 변신을 거쳐 '팩'이 되고 이것이 자동차에 장착된다. 배터리라고 하면 통상 배터리 단품인 '셀'을 말한다.

이 수많은 배터리 셀을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 수십 개의 셀을 모아 모듈로 만들고, 이 모듈들을 모은 것을 팩이라고 한다.

예컨대 전기차 BMW iX 엑스드라이브50에는 '셀'이 총 500개 탑재된다. 셀 40개 또는 50개를 1개의 모듈로 만들고, 이러한 모듈 11개를 모아 1개의 배터리 팩으로 만든다. 바로 이 배터리 팩이 전기차에 탑재되는 것이다.

[서울=뉴시스]배터리 모듈과 팩 (이미지=삼성SDI 제공)

배터리의 기본이 되는 '셀'은 자동차 내 제한된 공간에서 최대한 성능을 낼 수 있도록 단위 부피당(또는 무게당) 높은 용량을 지녀야 한다. 이것을 부피당(또는 무게당) ‘에너지 밀도’라고 부른다. 이 '셀'은 모바일 기기에 비해 수명이 훨씬 길다. 주행 중 전달되는 충격을 견디고 어지간한 저온이나 고온에서도 문제 없을 만큼 안정성을 지닌다.

배터리 '모듈'은 배터리 '셀'이 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 강한 프레임으로 만들어진다. 여기에 '셀' 상태를 모니터링 하는 BMS(배터리관리시스템) 등을 붙여 생산한다.

마지막 형태인 배터리 '팩'은 모듈 여러 개를 모아 '모듈'에서 보내온 배터리 '셀'의 온도나 전압을 일정하게 관리해 주는 '마스터 BMS'가 있다. 여기에 냉각장치나 각종 제어 시스템 등도 장착한다.

안전성 유지하고 에너지밀도 높이는게 관건

소비자들은 전기차 구매를 고려할 때 가장 큰 요인으로 ‘1회 충전 주행거리'를 꼽는다.

이를 위해 배터리 제조사들은 같은 부피나 무게에 더 많은 에너지를 넣을 수 있도록 '고에너지 밀도'의 셀을 개발하는 데 박차를 가하고 있다.

'셀'의 핵심 소재인 양극의 니켈 함량을 올리는 '하이니켈' 양극을 개발하는 한편 음극 소재의 경우 기존 흑연에서 실리콘을 추가하거나 함량을 높이는 것이다.

[서울=뉴시스]BMW iX 엑스드라이브50 하부에 탑재된 배터리 '팩' (이미지=삼성SDI 제공)

다만 에너지밀도를 올리면 상대적으로 안전성은 취약해진다. 이에 배터리 업체들은 안전성을 유지하면서 에너지 밀도를 높일 방안을 연구 개발하고 있다.

한편 시장조사기관 SNE리서치에 따르면, 2030년 글로벌 전기차 시장은 5900만대 규모로 성장할 전망이다. 이는 글로벌 시장에서 전기차가 차지하는 비중이 과반을 넘는다는 뜻이다.

전기차 산업의 성장성으로 인해 배터리 '셀'은 물론 '모듈' 및 '팩' 기술도 함께 향상되고 있다. 배터리 업계는 셀 성능 뿐 아니라 모듈과 팩을 얼마나 더 효율적으로 설계하고 구성할지 고민하는 상황이다.

배터리업계 관계자는 "전기차에 최종 탑재되는' 팩'이 얼마나 효율성이 있느냐에 따라 전기차 성능 및 디자인이 바뀔 수 있다"며 "이에 따라 '셀'의 에너지 밀도를 높이는 것은 물론 '모듈'과 '팩' 개발에도 더 열심이다"고 말했다.


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