EV 배터리의 코발트 제로화가 제공하는 이점

글: 마이크 컬쳔(Mike Kultgen) 배터리 관리 시스템 총괄 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices)

전기차(EV)와 전동화 기술이 소비자와 관련 생태계들 사이에 급속히 확산하면서 가치 사슬 전반에 걸쳐 윤리 경영과 지속가능성이 중요한 문제로 대두되고 있다. 이 생태계를 형성하는 기업들은 원재료 채굴에서부터 배터리 재사용에 이르기까지 배터리 전체 수명 주기 동안 좀더 윤리적인 기준을 정립하여 지속가능성을 높이고자 애쓰고 있다.

오늘날 대부분의 리튬이온 배터리는 화학 원소인 코발트를 음극 물질(저장 용량을 결정하는 리튬 이온 전지의 일부분)의 기초로 사용한다. 코발트 음극 전지는 다른 화학 소재와 비교할 때 더 긴 주행 거리 성능을 제공하며, 배터리 충전상태 측정과 관리가 덜 까다롭다. 하지만 코발트는 오래 전부터 채굴 관행이 논란이 되어 왔다.

코발트: EV 배터리의 윤리적 난관

전세계 코발트의 약 70%는 콩고 민주 공화국(DRC)에서 채굴된다. 이 나라는 빈곤, 부정부패, 인권 문제로 잘 알려져 있다¹. 특히 DRC에서 코발트 채굴은 아동 노동, 위험한 채굴 환경, 노동자들에 대한 부당 대우, 그 밖에 여러 위법 행위들이 문제로 지적되고 있다. 기업들이 사회적 책임과 환경적 지속가능성을 중요하게 인식하면서, 코발트 배터리 화학 물질(NMC와 NCA)의 사용량을 줄이고 리튬인산철(LFP) 같이 코발트를 아예 사용하지 않는 배터리 소재를 사용하려는 움직임이 늘어나고 있다. 많은 자동차 제조사들도 이러한 움직임을 환영하는 분위기다. 테슬라(Tesla)는 코발트 사용을 줄이거나 전혀 사용하지 않는 고에너지 셀을 개발하고 지속가능한 에너지로의 전환을 가속화할 계획이라고 발표했다².

코발트와 다른 물질들의 가격 비교:

2×

니켈

15×

알루미늄

1k×

망간

출처: Markets Insider, Trading Economics [3,4,5]

LFP 배터리는 현장에서 10년 이상 사용되면서 양산성이 입증되었으며, 주요 자동차 제조사들로부터 우선 기술로서 지지를 받고 있다. 코발트 기반 소재는 에너지 밀도가 10 ~ 20% 더 높기 때문에 1회 충전 당 더 긴 주행 거리가 가능하다. 대신에 또 다른 위험성을 수반한다. 코발트는 LFP에 비해서 인화점이 낮으므로 배터리 화재 위험성이 더 높다. 이에 반해 LFP 배터리는 더 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며 천공 문제나 열 폭주 같은 안전 문제를 더 효과적으로 다룰 수 있다. 또한 LFP의 고전력 성능은 더 빠른 충전을 가능하게 한다.

배터리 소재 비교

LFP	LMO	NMC	LCO	NCA
Lithium Iron Phosphate (리튬 인산 철)	Lithium Manganese Oxide (리튬 망간 산화물)	Lithium Nickel Manganese Cobalt (리튬 니켈 망간 코발트)	Lithium Cobalt Oxide (리튬 코발트 산화물)	Lithium Nickel Cobalt Aluminum (리튬 니켈 코발트 알루미늄)

활용
EV, 전동 공구, 전기 버스	EV, 휴대형 전자기기	EV, 전동 공구, 전기 자전거	휴대형 전자기기(휴대전화, 태블릿, 카메라)	EV, 휴대형 전자기기
성능
탁월한 안전성, 긴 수명	우수한 안정성	우수한 성능, 비교적 안전, 낮은 발열	양호한 성능, 비교적 안전	높은 에너지 밀도, 우수한 수명, 안전성은 간신히 기준 충족
가격
낮음	비교적 낮음	낮음	높은 코발트 함량 때문에 높음	높음

출처: Battery University [6]

EV 제조사들은 고급형 차량에는 현재의 배터리 기술을 사용하고 보급형 모델에는 LFP를 활용하고자 한다. 보급형 차량에 코발트를 사용하지 않으면 대중들에게 훨씬 더 싼 가격으로 전기차를 공급할 수 있을 것이다. 그런데 LFP는 차량의 가격을 낮추고 코발트보다 더 안전하게 동작할 수 있는 대신, 평평한 방전 곡선 특성상 배터리 충전 상태를 정확하게 측정하기가 어렵다.

아나로그디바이스(Analog Devices Inc., ADI)의 배터리 관리 시스템(BMS) 솔루션이 진가를 발휘하는 대목이 바로 이 부분이다.

ADI는 배터리 충전 상태를 업계에서 가장 정확하게 측정할 수 있게 해준다.ADI의 BMS 솔루션은 높은 정확도를 제공하여 자동차 제조사가 LFP의 충전 상태를 효과적으로 관리할 수 있도록 하고, 그럼으로써 LFP가 제공하는 비용과 안전상의 이점을 최대한 누릴 수 있게 한다. 뿐만 아니라 LFP는 더 높은 전력 밀도, 더 긴 수명, 더 넓은 온도 범위에서의 낮은 가동 비용 덕분에 에너지 저장 같은 재사용 배터리 애플리케이션에 활용하기에도 적합하다.

“코발트 제로화는 자동차 분야가 지속가능한 미래를 실현하는 데 있어서 중요한 역할을 할 것이다.”
마이크 컬트겐(Mike Kultgen) 아나로그디바이스 배터리 관리 시스템 총괄 매니저

코발트 제로화를 향한 ADI의 비전

소재	리튬 니켈 망간 산화물	리튬 인산 철	리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물
약어	NMC	LFP	NCA
에너지 밀도 (Wh/Kg)	220	120	260
주기 수명	1000–2000	1000–2000	500
열 폭주	210°C	270°C	150°C
코발트 함량	높음	없음	높음
가격	1.2배	0.8배	1배
코발트 제로화의 이점 ● 아동 노동 및 강제 노역 방지 ●낮은 가격 구조 ● 열 폭주에 대한 내성 ● 보급형 차량 모델에 적합

궁극적으로, LFP는 소비자의 EV 구매에 대한 가격 장벽을 낮춤으로써 EV 보급을 가속화하는 데 기여할 것이다. 현재로서는 EV 가격에서 배터리가 차지하는 비중이 51%이다⁷. 코발트에 대한 높은 의존도에서 탈피함으로써 자동차 업계는 보다 윤리적인 공급 사슬로 옮겨갈 수 있으며, LFP를 활용함으로써 환경적으로 지속가능한 배터리 생태계를 구축하고 배터리 재사용 애플리케이션으로 활용도를 높일 수 있을 것이다.

참고 문헌

¹Dafydd Davies. Restrictions on sourcing of cobalt are changing. pv magazine, March 10, 2020.
²Bridie Schmidt. Tesla has been using high-energy nickel 4680 batteries for months. The Driven, September 28, 2020.
³Nickel price. (2021, January 11). Retrieved from https://markets.businessinsider.com/commodities/nickel-price.
⁴Aluminum price. (2021, January 11). Retrieved from https://markets.businessinsider.com/commodities/aluminum-price.
⁵Manganese price. (2021, January 11). Retrieved from https://tradingeconomics.com/commodity/manganese.
⁶BU-205: Types of Lithium-ion. (2021, January 11). Retrieved from https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion.
⁷Gustavo Henrique Ruffo. How Much Does The Powertrain Represent Out Of Total Cost For An EV? InsideEVs, February 5, 2020.