리튬이온 배터리는 성능은 매년 올라가고 가격은 내려갈 것이라는 필자의 예측이 거짓말이 되었다.

100년 넘는 자동차의 역사에 가장 큰 변화가 시작되었다. 아직은 설마 했던 내연기관 자동차의 예견된 종말이 코앞에 다가왔다. 조만간 기존의 내연기관 자동차는 지구환경을 오염시키는 원흉으로 따가운 눈총을 받으면서 타야 하는 험난한 시절이 예상된다. 지금도 서울에서는 미세먼지 경보가 발령되면 배기가스 저감장치가 장착 안 된 구형 디젤차는 운행할 수 없다. 운행 시 벌금을 물리고, 폐차지원금으로 폐차를 유도하고 있으며 이는 모든 내연기관 자동차의 머지않은 운명이 될 수도 있다.

혁신적인 리튬이온 배터리

배터리의 역사는 기원전 2000년 전부터이고 충전해서 사용하는 2차 납축전지는 1859년에 개발되었다. 1991년 소니에 의해 상용화된 리튬이온 전지는 전압이 3배 높고 1,000회 충·방전이 가능한 혁신적인 기능을 달성했다. 소니가 최초로 상용화시킨 18650(지름 18㎜ 길이 65㎜) 배터리는 높은 에너지 밀도와 안정성을 갖추고 규격화된 대량생산으로 가격을 내릴 수 있었다.

전기자동차에 대량 공급되는 안정화된 규격 배터리를 사용하면 배터리 회사가 아닌 자동차 회사가 배터리 선택의 주도권을 잡고 안정된 수급으로 배터리 가격을 조절할 수 있다. 테슬라는 시작부터 한 대에 7,000개가 넘게 들어가는 18650 배터리를 선택했고, 2017년 테슬라3 모델에는 새로운 규격의 21700, 46800 모델을 예고하기도 했다. 배터리 크기의 변화는 리튬이온 배터리 셀 자체의 에너지 밀도는 차이가 없지만, 안정성을 높이고 팩으로 만들었을 때 에너지 밀도를 높일 수 있다.

획기적인 성능의 배터리는 언제쯤?

올해는 혁신적으로 전압과 용량을 늘린 리튬이온 배터리가 개발된 지 30년이 된다. 1991년 소니에서 선보인 18650 원통 셀은 리튬이온 배터리의 기본이 되었고 20년이 지난 2010년대에 와서야 파나소닉에서 21700이라는 새로운 규격을 내놓았다.

21700은 기존 제품보다 지름 3㎜, 길이 5㎜ 늘어난 제품으로, 늘어난 무게나 체적만큼 용량이 늘어난 것이지 획기적인 제품은 아니다. 셀이 커지면서 좀 더 안정적이고, 대용량 배터리를 사용하는 에너지 저장장치나 자동차 등 큰 제품에 유리하지만 소형제품이나 디자인 측면에서는 셀의 부피가 큰 것은 반갑지 않다. 오랜 기간 자리를 잡은 18650 사이즈의 생산자동화 시스템에서 큰 변화 없이 제조 가능한 최대 사이즈가 21700으로, 대량 자동화생산의 한계 사이즈라고 보면 된다.

소비자들은 주머니에 들어갈 스마트폰 크기의 배터리로 100km 정도 주행이 가능한, 세상을 변화시킬 혁신적인 배터리의 등장을 바라고 있다. 하지만 당장 눈에 보이고 예측되는 것은 리튬이온 배터리의 안정화 제품인 전고체 배터리 정도뿐, 리튬이온 배터리의 판도를 완전히 뒤엎어 버릴 새로운 배터리의 등장은 아직 예측불허다.

현재는 이 정도가 최선

2021년 기준 18650 사이즈에 3,500mA, 21700 사이즈는 5,000mA의 고용량 배터리가 주류가 되었다. 용량을 더는 늘리기 어려운 기술적인 한계에 온 것 같다. 니켈의 함량을 늘려 용량을 높이면 셀의 수명과 방전 특성은 오히려 떨어지게 된다. 용량과 순간적인 힘, 두 마리 토끼를 한 번에 잡을 수는 없다. 방전 특성인 순간적인 힘을 우선할 것인지, 전체 용량을 우선할 것인지 결정을 해야 한다.

중간에서 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 적당한 용량이 18650 사이즈는 3,000mA 내외이고 용량 특성을 우선시해서 동일 사이즈에 담을 수 있는 최대용량은 3,500mA 수준이다. 이마저도 2021년 기준, 전 세계에서 손가락에 꼽을 정도의 회사들만 생산하고 있다. 지금 시점에서 용량이 이 수치를 넘게 표시된 제품이라면 셀의 실제 용량이 아니라 개발하고 싶은 프로토타입이거나 실제 용량이 아니라 제품명이라고 우기는 예도 있었다.

용량 우선으로 설계한 배터리는 과부하 상태에서 전압 하락이 심하다. 전압 회복도 느리고 과부하에서는 실제 용량저하 현상이 생기며 수명도 짧아진다. 대신 부하를 최대한 줄여서 사용하면 표시된 용량을 제대로 쓸 수 있다.

13.8kg 납 배터리 시절을 모르는 초보 e바이크 라이더들은 3kg도 무겁게만 느껴지는 배터리에 대한 불만을 품고 있다. 스마트폰 크기의 작고 가벼운 사이즈로 100km 이상 주행이 가능하고, 긴 수명과 강력한 힘에 가격까지 저렴한 혁신적인 배터리를 원한다. 꿈의 배터리가 빨리 나오기를 바라지만 지금의 리튬이온 배터리 성능을 혁신적으로 향상시킨 꿈의 배터리는 수년 내 나오기는 어려운 현실이다.

2021년 기준으로 지구상에 가장 많이 사용되고 있고, 현존하는 가장 효율적인 에너지 저장장치인 리튬이온 배터리의 국내 공급 대란의 원인은 한정적인 자원으로 급격히 늘어난 수요 때문에 겪는 일시적 현상으로 볼 수 있다. e바이크 라이더들은 혁신적인 배터리의 등장을 기대하지만, 그날이 올 때까지는 현재의 리튬이온 배터리의 특성을 제대로 이해해서 안전하게 경제적으로 오래 쓰는 것이 최선의 방법이다.

리튬이온 배터리를 고장 없이 오래 쓰는 방법

오래전부터 필자는 리튬이온 배터리를 살아있는 생명체처럼 다뤄야 하는 ‘박대리님’이라고 불렀다. 배터리의 평균수명이 정해져 있지만, 실제 수명은 사용법에 따라 편차가 많다.

리튬이온 배터리의 평균수명은 3년 내외 1,000회 충·방전을 기준으로 잡고 있다. 그런데 실제로 사용해보면 누구도 예측하기 어려운 것이 배터리 수명이다. 리튬이온 배터리의 특성을 잘 알고 믿을만한 회사 제품을 사용하면 수명은 상상 그 이상으로 늘어날 수도 있다.

배터리 용량의 100%를 충전해서 사용하는 것은 과식하는 것처럼 배터리 건강에도 좋지 않다. 조금 모자라게 충전해서 사용하면 수명이 급격히 늘어난다. 용량이 큰 배터리로 셀당 부하를 줄여주면 셀의 피로도를 낮출 수 있다. 용량이 작은 배터리는 적극적인 페달링으로 셀당 부하를 줄여줘야 오래 쓸 수 있어 마치 생명체를 다루듯이 사용하면 된다.

● 배터리 용량은, 다다익선 vs 과유불급?
초보들은 배터리 용량을 ‘다다익선’이라고 무조건 큰 것을 선호한다. 그런데 무작정 배터리 용량만 늘리는 것이 최선은 아니다. 자동차의 경우 연료통의 용량은 연비운전을 할 경우 서울-부산을 왕복(약 800km)할 정도에 맞추지 무조건 연료통을 키우지 않는다. e바이크 배터리 용량도 편하게 30km, 열심히 페달링하면 100km 정도 달릴 수 있는 용량을 기본으로 한다. 특히 가벼운 미니벨로는 50km 내외의 거리를 기본으로 배터리 용량을 선택한다. 미니벨로로 100km 이상의 장거리는 권장하지 않는다. 자전거 장르에 따라서 배터리 용량도 달라지는 것이다. 지나치게 배터리 욕심을 부리면 무게가 늘어나 페달링이 힘들어지는 자토바이가 된다. 가볍게 시작해서 필요에 따라 추가 배터리로 용량을 늘리는 것을 추천한다. 용도와 거리에 따라 배터리 용량은 가변적으로 운영하는 것이 경제적이다.

● 온도에 민감한 리튬이온 배터리의 특성을 이해해야 한다.
영하 10도에서 e바이크를 타면 여름철보다 주행거리가 반토막 나기도 한다. 겨울철은 리튬이온 배터리의 시련기다. 충·방전과 사용 시 용량에 온도 특성을 고려해야 한다.

● 충전기와 배터리는 함께 관리해야 한다.
배터리 고장을 의심하는 경우 반드시 충전기를 같이 진단해야 한다. 배터리 고장의 상당 부분이 충전기 문제이거나 단자 문제인 경우가 많다. 배터리 고장을 의심하기 전에 충전기가 정상인지 먼저 체크한다.

★ 필자의 리튬이온 배터리 멘토 - 배트릭스 이영복님 자문