By MARK ANDREWS, WIRED UK

무게는 자동차 디자이너와 엔지니어에게 가장 큰 스트레스를 유발하는 요소이다. 배터리가 지나치게 무겁고 밀도가 높으면서 교통수단의 전기화라는 미래를 위해 내연기관이 사라지는 상황에서 전기차에 추가로 장착하게 되는 거대한 배터리의 중요성을 다룰 방법이 난제가 되었다.

주행거리를 늘리고자 한다면, 대형 배터리를 눈에 띄지 않게 장착하여 주행거리를 확보하는 것이 무조건 답은 아니다. 브레이크 크기를 늘려 중형 차량이 정차할 수 있도록 제작해야 한다. 또, 브레이크가 커지면, 더 큰 바퀴를 장착해야 할 것이다. 그리고 모든 차량 구성요소의 무게 때문에 더 강력한 구조가 필요할 것이다. 자동차 디자이너는 이를 ‘무게의 순환’이라고 말한다. 배터리의 문제는 단순히 차량 동력 공급을 위해 지나치게 무거운 무게를 다루어야 한다는 점이다.

그렇다면, 배터리를 자동차 구조에 통합해 셀이 차량 동력 공급과 뼈대 역할을 함께 수행한다면 어떨까? 바로 테슬라와 중국 전기차 기업 BYD, CATL이 개발 중인 차량 구조이다. 세 기업이 개발하는 배터리 통합 차량 구조는 전기차 생산 방식과 주행거리에 변화를 가져오는 동시에 제조 비용을 절감할 수 있다.

배터리 전기화학 분야 컨설팅 기업 플러그 라이프 컨설팅(Plug Life Consulting) 소속 컨설턴트 유안 맥터크(Euan McTurk)는 셀투팩(CTP) 배터리 구조와 셀투바디(CTB) 배터리 구조, 셀투섀시(CTC) 배터리 구조와 같은 기술이 배터리 동력을 차량에 더 효율적으로 분배하도록 하므로 이론적으로 완벽한 전기차 배터리에 더 가까워질 것이라고 설명한다. 맥터크는 “궁극적으로 배터리팩은 100% 활성화 재료로 구성될 것이다. 즉, 모든 배터리 팩 영역이 에너지를 저장하고 방출할 것이다”라고 말했다.

기존 전기차 배터리는 셀 모듈을 사용한 뒤 팩과의 상호연결성을 갖추었다. BYD는 중간 모듈 단계를 생략하고 셀을 팩에 직접 두는 CTP 기술의 선두 기업이 되었다. 저탄소 기술 기업 스프린트 파워(Sprint Power) 창립자 겸 CEO인 리치 프로스트(Richie Frost)는 “표준 모듈은 1개의 팩에 잘 맞을 것이다. 그러나 다른 팩에는 아무것도 사용하지 않는 넓은 영역이 남게 될 것이다. 모듈의 제약을 없애면서 어느 팩이든 셀의 수를 최대화할 수 있을 것이다”라고 설명했다.

CTP 기술도 모듈 설립 블록이 배터리 팩에 남아있도록 해, 아무것도 사용하지 않는 공간을 줄인다. BYD는 리튬이온 배터리보다 화학적 안전성이 뛰어나면서 생산 비용이 저렴한 리튬인산철(LFP) 배터리를 지지한다. 그러나 LFP 셀의 에너지 밀도가 현대 코나 일렉트릭, 재규어 I-페이스(I-Pace), 폭스바겐 ID 등에 탑재한 니켈코발트망간(NCM) 화학 셀보다 높지 않다는 단점이 있다. 그러나 CTP 디자인은 주어진 공간에 셀을 더 많이 탑재하고 차량 밀도를 NCM 배터리와 비슷한 수준으로 늘릴 수 있다.

중국 선전에 본사를 둔 BYD는 세계 최대 수직 통합 전기차 제조사 중 한 곳이다. BYD는 배터리와 차량의 다수 구성요소, 자동차 자체를 생산하지만, 배터리 기업으로 시작했다. 중국 배터리 생산 업계 내 BYD의 최대 경쟁사인 CATL은 2021년, 세계 최대 전기차 배터리 생산 기업으로 이름을 올리면서 시장 점유율 32.6%를 차지했다. CATL이 중국 시장 점유율 52%를 기록하면서 현지 시장을 장악한 것이 주된 원인이다.

CATL은 이미 독일에서 생산 공장을 가동 중이며, 인도네시아에서 50억 달러 규모의 배터리 생산 공장을 설립 중이다. 또, 미국에도 비슷한 규모로 투자할 계획이다. CATL은 리튬과 코발트 채굴에도 함께 투자한 덕분에 원자재 가격 변동성의 영향이 상대적으로 적은 편이다. 그러나 CATL의 세계 시장 확장 전략의 핵심은 CTC 기술이 될 것이다. CTC 기술은 배터리와 섀시, 전기차 하단을 하나로 통합하여 차량에 배터리 팩을 별도로 장착할 필요성을 없앤다.

배터리의 무게를 재분배한다면, 더 넓은 내부 공간을 위한 자동차 디자인 여유 공간을 확보할 수 있다. 디자이너가 전기차 바닥 높이를 높여서 셀을 거대한 판 아래 안전하게 장착할 필요가 없기 때문이다. 자동차 제조사는 기존 전기차 설계의 제약에서 벗어나면서 섀시 전체를 셀로 구성해, 전기차에 셀을 더 많이 압축할 수 있다. 결과적으로 주행거리도 길어진다.

CATL은 CTC 기술로 생산한 차량의 배터리 1회 충전 시 주행 거리가 1,000km(약 621마일)로, 기존 배터리 기술보다 40% 늘릴 수 있다고 추산한다.
 
차체 구조 변경
테슬라는 2020년 배터리 데이(2020 Battery Day) 현장에서 몇 가지 핵심 발전사항을 다룬 정보를 공유했다. 테슬라의 최신 4680배터리가 당시 언론의 주목을 받았으나 일론 머스크와 테슬라 수석부사장 드류 바글리노(Drew Baglino)는 테슬라 차량 생산을 대규모 주형 부품 사용을 통해 여러 개의 소형 구성요소로 변경한 방식을 설명했다. 또, 2023년이면 CTB 기술을 활용할 예정이라고 밝혔다.

머스크와 바글리노는 현재 항공기 날개를 연료 탱크 내장 공간으로 대신 활용하고, 탱크를 날개 형태로 제작하는 추세와 비교하면서 배터리 셀이 차량 구조에 통합할 것이라고 설명했다. 테슬라는 배터리 셀의 차량 구조 통합을 위해 새로운 접착제를 개발했다. 일반적으로 배터리 팩의 접착제는 셀과 팩을 함께 코팅하고 난연 처리 역할을 한다. 테슬라가 고안한 해결책은 부품 결합 기능을 강화하면서 배터리 전체가 무게를 견뎌내도록 한다.

맥터커는 “셀을 섀시에 통합하면, 셀과 섀시를 여러 목적으로 활용할 수 있다. 셀은 에너지 저장소 역할을 하면서 차량을 구조적으로 지지한다. 섀시는 구조적으로 차량을 지지하는 동시에 셀을 보호한다. 효과적으로 셀 케이스의 무게를 제거하면서 지나치게 무거운 부품을 차량 구조의 귀중한 영역으로 바꾼다”라고 설명했다.

테슬라는 주형 부품과 함께 CTB 구조를 사용하면, 차량 부품 370개가 감소한다고 전했다. 차량 무게가 약 10% 가벼워지면서 배터리 비용은 1kWh당 7% 절감함과 동시에 차량 주행거리를 늘릴 수 있다.

용량이 더 큰 테슬라 4680배터리가 차량의 CTB 기술 전환 능력을 향한 통합 역할을 하는 듯하는 가운데, CATL의 최신 기린(Qilin) 배터리는 4680배터리보다 더 큰 용량을 지원한다. 그와 동시에 배터리 사용 용량의 효율성은 72%, 에너지 밀도는 1km당 최대 255Wh 늘릴 수 있다. 기린 배터리는 CATL의 3세대 CTP 기술의 핵심이며, CTC 기술의 근간이 될 것으로 보인다.

손쉬운 셀 적용
테슬라 4680배터리와 CATL 기린 배터리와 같은 획기적인 배터리 기술이 시장에 등장하려면 수년이 걸릴 것으로 보인다. CTC 기술은 실제로 이미 등장했다. 급속도로 성장하면서도 상대적으로 인지도가 낮은 중국 전기차 스타트업 립모터(Leapmotor)는 세계 최초로 CTC 기술로 생산한 차량을 출시할 것이라고 주장했다. 립모터의 C01 세단은 2022년 말이면 판매될 예정이다. 립모터는 무료로 공유하도록 제공한 지식 재산권을 보유한 기술을 활용해, C01이 우수한 핸들링과 조금 더 긴 주행거리, 개선된 충돌 안전성 등을 선사하겠다고 발표했다. (CTC 기술의 무게 분배 우수성이 더 나은 핸들링을 지원한다.)

그동안 자동차 제조사 여러 곳이 내연기관 차량의 플랫폼을 생산했으며, 지금도 생산을 이어가고 있다. 그러나 CTC 디자인을 채택하면, 오래된 내연기관 차량 플랫폼이 더 우수해지기는 매우 어려울 것이다. 프로스트는 “대다수 자동차 제조사가 미래에 100% 전기차를 출시하면서 CTC 기술을 포함한 통합된 디자인을 선보인다는 약속을 한 사실은 전기차의 전반적인 디자인과 성능의 대대적인 개선으로 이어질 것이다”라고 전망했다.

CTC 기술이 전기차 생산의 다음 단계라는 사실이 분명하지만, 모든 문제 한 번에 해결할 만병통치약과 같은 존재라고 볼 수는 없다. 고체 배터리와 나트륨 기반 배터리 등과 같은 배터리 기술이 전기차 생산의 어려움을 일으키는 부분적인 원인이 될 것이다. CTC 기술을 채택한다면, 자동차 업계에 새로운 문제가 발생할 것이라는 점도 분명하다.

CTC 기술 채택 시 발생할 수 있는 한 가지 문제점은 결함이 있는 셀 교체가 훨씬 더 어려워질 것이라는 점이다. 각각의 셀이 차량 구조의 통합된 부분이기 때문이다. 그리고 차량을 분해할 때도 문제가 발생할 것이다. 현재 여러 모듈을 자체적으로 재활용할 방안을 모색하고 있으나 맥터커는 CTP 디자인의 더 큰 배터리 크기 때문에 그리드 저장소로 적용 범위가 제한될 것으로 내다보았다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문
A New Approach to Car Batteries Is About to Transform EVs