나를 위한 기록

배터리를 가르킬 때, 배터리 셀, 모듈, 팩, 시스템 이런 식으로 다른 이름으로 붙이는 경우가 많고, 각각 가르키는 범위가 다르다. 흔히 배터리의 가격을 요즘 $100/kWh 정도로 저렴해졌다고 이야기를 많이 하는데, 이를 산정할 때 특히 어디까지 포함해서 가격을 산정 했는지가 중요한 정보가 된다. 이와 관련하여 어디까지가 셀이고 어디까지가 모듈이고 어디까지가 팩이고 어디까지가 시스템인지에 대해 기록하려 한다. 먼저 배터리 셀 은 최소 단위의 배터리이다. 흔히 AA, AAA 배터리 같은 단위가 셀이라고 보면 된다. 리튬이온전지의 최소단위로는 원통형 셀 (예를 들어 Panasonic 18650), 각형 셀 (삼성), 파우치 셀이 있다. 이를 구성하는 구성요소로는 양극, 음극, 도전재, 바인더 소재와 그 전극, 알루미늄과 구리 집전체, 분리막, 전해액, 그리고 셀 패키징 까지를 가리킨다. 그래서 셀 가격이라고 하면 이 범위까지로 보면 될 것이다. 배터리 모듈 은 셀에 셀들을 연결하는 그 연결 및 터미널 (Welding, Bolts, Wiring, Springs, etc.), 모듈의 패키징, 온도 모니터링 시스템, 배터리 전압 및 관리 시스템이 포함 된다. 여기서 이 시스템들은 모듈안에 들어가는 센서 정도로 이해하면 될 것 같다. 배터리 팩 은 위이 모듈에 모듈간의 커넥터 및 터미널, 모듈들을 받치는 선반, 냉각장치, 절연 장치 및 팩의 패키징 이 포함된다.  마지막으로 배터리 시스템 은 배터리 팩들의 모임에 그 연결과 터미널, 팩들을 받치는 선반, 전체 팩의 온도를 관리해주는 AC 시스템, Battery Management System, Thermal Management System 등 모든 팩들을 관리해주는 시스템을 전부 포함 한다. 가장 큰 범주로 이해하면 된다. 

내가 아는 한도에서 Solid Energy, Ionic Materials, Solid Power는 꽤 오랫 동안 고체 전해질 및 전고체 전지를 개발해온 스타트업들이다. 컨퍼런스에서 봤을 때도 실제 기술력은 알 수 없으나 발표가 인상적이었다. 유능한 CEO, CTO를 보유한 것 같다. QuantumScape는 2019년 초에 Stealth 모드로 사람을 많이 채용했던 회사다. 그 당시에는 왜 그렇게 했었는지 잘 몰랐지만 지금 보니 Volkswagen에서 큰 투자를 받고 진행했던 것 같다. Volkswagen은 자금력이 커서인지 투자들이 통이 크다. 아마 회사 이미지와 마케팅, 정치적인 문제까지 신경을 써서 투자를 해서 그 액수가 큰 것 같다. Panasonic은 현재 기존의 액체 전해질을 이용한 리튬이온전지에서도 상당한 진전이 있는 것으로 알고 있다. 배터리 팩 가격으로 $100/kWh를 달성하고 양산에 들어간 것으로 들었고, 에너지도 300 Wh/kg에 가까운 것으로 들었다. 기존의 리튬이온전지 시스템에서 말이다. 이것이 인상적이다. 그리고 Toyota와 함께 전고체전지를 개발한다는 점에서 기대가 된다. 알다시피 일본은 고체전해질 강국이다. 그리고 그 고체전해질 연구의 상당 부분이 아주 오래전부터 Toyota의 펀딩을 통해 이루어져왔다는 점에서 그 포텐셜이 터지지 않을가 생각이 든다. 게다가 전극 및 전지 제조 기술이 전세계에서 거의 가장 뛰어난 Panasonic과 합잡해서 만든다고 하지 그 결과가 더 기대가 된다.

Dendrite growth in lithium battery leads to failure. Source: SLAC National Laboratory, Stanford University 요즘 급속 충전이 각광을 받고 있다. 코스트코에 갔더니 빨리 충전 해주는 콘센트를 팔고, 핸드폰이나 노트북 충전기 들이 점점 빠른 속도로 충전이 가능한 높은 전압과 전류의 스펙으로 나오고 있다. 나는 급속 충전이 싫다. 느리게 충전하고 싶어 옛날 충전기를 일부러 찾아다닐 정도다. 빨리 충전하고 싶은 소비자들을 이용해 배터리 제조사나 전자기기 제조사들이 이익을 보는 상황이라는 느낌이다. 왜냐하면, 빨리 충전을 하면 배터리에 무리가 가게 되고, 수명이 짧아지기 때문이다 .  빨리 충전을 하는 것은 빨리 방전을 하는 것 보다 더 안좋고 위험하다. 배터리 과학의 측면에서 봤을 때, 충전은 리튬이 양극에서 음극으로 이동하는 과정이고, 천천히 안정적으로 충전을 하면 리튬이 음극안으로 잘 들어가서 안전한 반응이 완성이 된다. 하지만 빨리 충전을 하는 경우, 급작스럽게 많은 양의 리튬이 좁은 음극 틈새로 들어가고자 하고 그러면 미쳐 들어가지 못하 리튬은 음극 표면에 바늘 처럼 자라게 된다. 이것이 덴드라이트(Dendrite) 이다. 이것이 배터리 수명에 지대한 영향을 끼치고 더 나아가 안전성에도 큰 문제를 일으킨 다 .  그러니 급한 상황이 아니라면 빨리 충전 하지 않는 것이 좋고 , 다른 글(아래 링크)에서 언급 했듯이 꼭 필요한 상황이 아니라면 완전히 충전하지 않는 것이 좋다 . https://joseph-forest.blogspot.com/2020/02/how-to-use-smartphone-battery-any-longer.html

LFP에 대한 관심이 많다. 유튜브나 관련 글을 보다 보니 잘못된 정보가 종종 있다. 그래서 확실한 정보를 기록을 해야겠다는 생각이 들어 관련 글을 하나 더 쓴다. LFP는 에너지, 용량, 전압이 근본적으로 적다. 간혹 CATL 또는 Tesla가 이를 기술 개발을 통해 극복한게 아니냐는 유튜브나 글이 있는데 사실이 아니다. LFP는 이 소재의 특성을 극복할 수 없다. LFP의 용량은 165 mAh/g 이하이고, 전압은 3.25 V vs. Li/Li+이다. 이보다 높아지는건 불가능하다. 4~5년 전에는 165 mAh/g 용량을 전부 발현하기 기술적으로 어려웠으나 지금은 150 mAh/g 정도는 무난히 달성하는 것 같다. 적은 에너지 (용량 x 전압)가 가장 큰 단점이고, 다른 단점들은 전기 전도도가 낮고, 리튬의 확산 채널이 1개라서 막힘 현상이 있다는 것이다. 하지만 이 두 단점은 이미 해결되었다. 공정비용이 늘긴 했지만 어찌 되었건 비정질 탄소 코팅을 하고, 입자 크기를 줄이면서 해결이 되었다.  그렇다면 장점은 긴 수명, 열 안정성과 출력 특성이다. LFP는 개발된 모든 양극소재를 통틀어 제일 좋은 수명, 열안정성, 출력 특성을 가지고 있다. 이 것이 중국이 버스에 오래전부터 사용해온 이유일 것이다. 에너지가 작지만 버스는 크므로 공간이 많아 많이 실으면 된다. 그리고 수명이 좋고, 열안정성이 좋아 안전하다. 또한 무거운 버스가 움직이기에 필요한 출력 특성을 뒷받침 해주기  때문이다.  * 2020년 2월 25일 - CATL의 LFP(리튬인산철, LiFePO4)를 사용하기로한 테슬라(Tesla)의 의도 - https://joseph-forest.blogspot.com/2020/02/catl-lfp-lifepo4-tesla.html 앞서 제시한 위 링크의 의견 처럼 Tesla 및 CATL 등 LFP로 고에너지의 전지를 저가에 만들겠다고 이야기하는 회사들은 배터리 팩 디자인 기술을 통해 이루겠다는 것이다. 고에너...

자동차 배터리 시장은 아주 큰 시장이다. 그래서인지 지금까지는 자동차 메이커들이 배터리를 사서 쓰지만 자신이 자체적으로 생산하고 싶어 하는 경우가 많다. 배터리를 사서 쓰면 마진이 별로 남지 않기 때문이다. 테슬라는 원래 파나소닉 (Panasonic)과 배터리를 만들어왔다. 이를 위해 네바다(Nevada)에 기가 팩토리(Gigafactory)를 함께 지었다. 소재는 BASF Toda에서 사서 쓰는 것으로 알고 있다. 그리고 이제 어느정도 기술적 노하우가 쌓였는지 직접 만들고자 하는 것이다. 배터리 생산 기술이 오랬동안 상용화와 대량 생산이 되어왔고, 그 과정이 크게 비밀도 아니어서 사실 돈과 의지가 있으면 Gigafactory같은 배터리 생산 라인은 누구나 만들 수 있다. 물론 노하우가 필요하겠지만 기술 제휴와 투자가 함께 이루어지기 때문에 가능하다. 예를 들어 우후죽순 생기고 있는 유럽의 Gigafactory들이 그런 것들이다. 테슬라에 주목하고자 하는 것은 그들이 $100/kWh급으로 만들겠다고 하는 것이고, 그리고 250 Wh/kg 이상을 이야기 하고 있다는 것이다. 역시 이들은 항상 뭔가 매력적인 숫자들과 이야기를 만드는 것을 좋아하는 듯 싶다. 이들이 이야기하는 이런 무리한 숫자들이 하청 업체들을 압박하고, 파트너들을 압박하고, 경쟁사를 압박하고, 산업 전반을 압박한다. 이런 무리한 성능의 배터리를 요구하고 그 가격을 심하게 후려치는 일을 자주 일삼아 지금 배터리 메이커 중에 제대로 큰 수익을 얻는 회사들이 거의 없다. 거의 순이익이 0에서 약간 플러스 약간 마이너스를 왔다갔다 하는 것 같다. 뭔가 이상함을 느낀다. 분석이 필요하다. 다시 본론으로 들어가 아래 그림을 보자. https://electrek.co/2020/02/26/tesla-secret-roadrunner-project-battery-production-massive-scale/ 보면 지금 >300 Wh/kg이라고 되어 있고, 2021년 쯤 385 W...

최근 테슬라(Tesla Motors)가 LFP (LiFePO4)를 사용하기로 했다는 이야기가 있다. 배터리를 연구하다 보니 지인들이 신문기사를 전해주기도 하고, 의견을 묻기도 한다. 이 것에 대한 내 생각을 기록한다. LFP는 오래된 양극 소재다. 이미 오래전에 상용화가 되었고, 전세계에서 모두 쓰지 않았지만 중국이 사용해왔다. 중국 정부에서 LFP를 채택하고 중국의 전기 버스에 반 강제로 사용하게끔 했기 때문에 가능한 일이다. 중국을 제외한 다른 모든 곳에서는 층상계 양극 소재 LCO (LiCoO2)와 NMC (LiNixCoyMnzO2)를 사용해왔다. 에너지면에서 층상계 양극 소재들이 더 우수하고, 전압이 높기 때문에 적용히 수월했다.  CATL은 예로부터 중국에서 LFP 배터리를 만들어 오던 회사다. 당연히 LFP 기술이 뛰어날 수 밖에. 그래도 뛰어나도 LFP는 LFP다. 기존 양극재를 뛰어 넘을 수 없다는 것이다. 간혹 신문 기사나 분석글 중에 LFP를 보고 Cobalt-free 소재라는 식으로 마치 좋은 소재가 나온 것 처럼 기술된 것들이 있는데, 틀린 것이다 . LFP가 Cobalt-free는 맞으나 우리가 부르는 미래형 소재인 Cobalt-free 양극이 LFP를 의미하는 건 아니다. 앞서 말했다시피 LFP는 전압이 낮고 용량이 작아 에너지도 작고 팩을 만들어 높은 전압을 만들기에 어려움이 있는 소재다. 다른 소재들에 비해 장점이라고 하자면, 수명이 좋고 온도변화에 강한 장점이 있다 . 그리고 저렴하고 만들기 수월하고 이미 최적화가 되어 있어 구매하여 쓰기 수월한 소재이다.  (소재에 대한 설명 - 2020년 3월 1일 - 리튬인산철 LFP 양극의 소재 특성 - https://joseph-forest.blogspot.com/2020/03/lfp-tesla-catl-lfp.html ) 테슬라의 원래 소재는 NCA (LiNi0.8Co0.1Al0.1O2)다. 내 생각에 모든 면에서 LFP보다 우수하고 LFP가 좀...