[딜사이트 이수빈 기자] 전기차 판매가 증가하면서 배터리 화재 안정성 문제도 도마위에 오르고 있다. 전기차는 내연기관차보다 화재 발생률은 낮지만, 한번 화재가 발생하면 강한 열기와 빠른 진행 속도로 진압에 드는 시간과 비용이 높기 때문이다. 이에 전기차 관련 업계는 화재 위험을 낮출 배터리 개발에 속도를 올리고 있다. 배터리 안전성 확보는 전기차 대중화 시대의 경쟁력을 결정할 핵심 요소로 작용할 것으로 전망된다.

◆ 볼트EV·코나EV 배터리 화재, 연이은 리콜

제너럴모터스(GM)는 볼트EV(전기차)에서 잇따라 화재가 발생하자, 지난해 8월 2017~2022년형 볼트 EV와 볼트 전기 스포츠유틸리티차량(EUV) 총 15만대를 대상으로 대규모 리콜을 실시하기로 했다. 2020년 첫 리콜 단행 이후 세 번째 리콜이었다.

GM은 "음극탭 단선과 분리막 접힘이 배터리 화재로 연결됐을 가능성이 있다"고 리콜 원인을 설명했다. 또한 배터리가 완전 충전에 근접하거나, 완전히 충전했을 경우에도 잠재적 화재 발생 가능성이 존재하는 점도 리콜 진행 배경으로 꼽았다.

올해 본격적인 전기차 판매 확대에 나서는 현대자동차 역시 배터리 화재를 피해가지 못했다. 현대차는 코나EV에서 화재 사고가 반복됐고, 결국 2017년 11월부터 2020년 3월까지 중국 난징공장에서 생산된 배터리를 탑재한 코나EV 총 7만5680대를 대상으로 리콜을 진행했다.

국토교통부는 한국교통안전공단 자동차안전연구원(KATRI)과 합동 결함조사를 실시한 결과 배터리 셀 결함이 발견됐다고 밝혔지만, 배터리 제조사인 LG에너지솔루션이 이를 직접적인 원인으로 보기 어렵다며 받아들이지 않았다. 아직까지 명확한 원인 규명은 이뤄지지 않은 셈이다.

◆ 높은 에너지 효율 'NCM' VS 저렴한 'LFP'

전기차 배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질의 4가지 핵심 소재로 구성된다. 그 중 양극재를 구성하는 원재료에 따라 크게 삼원계배터리와 리튬인산철(LFP)배터리로 구분할 수 있다.

삼원계배터리는 보통 니켈·코발트·망간(NCM) 배터리와 망간 대신 알루미늄을 원재료로 한 니켈·코발트·알루미늄(NCA) 배터리를 의미한다. 앞서 배터리 리콜을 단행한 GM 볼트EV와 현대차 코나EV에는 삼원계배터리에 해당하는 NCM배터리가 탑재됐다.

NCM배터리는 에너지밀도가 높아 1회 충전 시 주행 거리가 500㎞ 이상으로 성능이 좋다. 이러한 장점 때문에 지금껏 국내외 완성차 업체들은 전기차에 NCM배터리를 주로 탑재해왔다.

하지만 NCM배터리는 니켈·코발트 등의 원재료 가격이 비싸고, LFP배터리에 비해 화재 위험이 높다는 단점이 있다. 실제로 볼트EV·코나EV를 비롯해 NCM배터리를 탑재한 차량에서 화재가 연이어 발생하면서 완성차 업체들은 보다 화재 위험이 낮은 LFP배터리로 눈을 돌리고 있다.  

LFP배터리는 낮은 가격이 장점이다. 전기차 원가에서 배터리가 차지하는 비중은 40%가량으로, 낮은 배터리 원가는 가격 경쟁력과 직결된다. 관련 업계는 LFP배터리가 NCM배터리에 비해 30%가량 저렴한 것으로 분석한다.

하지만 LFP배터리는 단점도 뚜렷하다. 무게 대비 에너지밀도가 낮아 주행거리가 짧기 때문이다. 또한 NCM배터리 대비 화재 위험이 적지만, 100% 안전한 것은 아니다. 에너지 전문 조사기관 SNE리서치 보고서 등에 따르면 지난해 중국 비야디(BYD)의 LFP 배터리를 탑재한 전기차에서 수차례 화재가 발생했다. 결국 NCM배터리와 LFP배터리 모두 화재 위험으로부터 안전하지 못한 셈이다.

김필수 대림대 자동차학과 교수는 "LFP배터리에서도 화재는 발생한다"면서 "NCM배터리에 비해 가능성이 낮은 것"이라고 말했다. 그는 "모든 제품에 단점은 존재하지만, 이를 얼마나 희석시키느냐가 관건"이라며 "앞으로 배터리 업계와 완성차 업계가 NCM배터리와 LFP배터리의 단점을 얼마나 상쇄하는지가 중요하다"고 덧붙였다.

◆ 완성차 업계, 안전성 높은 '전고체 배터리' 주목

완성차 업계는 화재 위험을 낮추고 가격 경쟁력도 확보할 수 있는 전고체 배터리를 미래 배터리로 지목한다.

전고체 배터리는 현재 리튬 이온 배터리에 사용하고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 배터리다. 액체 전해질은 온도 변화로 인한 배터리 팽창, 누액 등으로 폭발 가능성이 높지만 고체 전해질은 구조적으로 안정적이라, 폭발 위험이 낮다. 또 고체 전해질은 에너지 밀도가 높아 주행거리를 획기적으로 늘릴 수도 있다. 이러한 장점으로 전고체 배터리는 전기차의 화재 위험성과 내연기관차 대비 짧은 주행거리를 모두 해결할 수 있는 차세대 배터리로 불리고 있다.

국내외 완성차 업체들은 전고체 배터리 기술 확보에 직접 나서고 있다. 테슬라는 지난해 미국 전고체 배터리 스타트업 솔리드에너지시스템(SES)에 지분 투자 계약을 맺었다. 메르세데스 벤츠는 대만 전고체 배터리 기업 프롤로지움 테크놀로지와 배터리 셀 공동 개발에 협력하기로 했다.

현대차그룹도 전고체 배터리 확보에 나섰다. 현대차는 지난해 미국 전고체 배터리 기업 팩토리얼 에너지와 전고체 배터리 공동개발 협약을 체결하고, 전략적 투자를 단행한다고 밝혔다. 앞서 현대차는 지난해 1분기 경영실적 컨퍼런스콜에서 "2025년 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 시범양산하고, 2030년에는 본격 양산할 수 있도록 노력 중"이라고 언급했다.

아직까지 전고체 배터리를 상용화한 완성차 업체는 없다. 일찍이 전고체 배터리 연구를 시작한 도요타가 2025년까지 양산 체제를 구축하겠다는 계획을 밝혔을 뿐이다.

전고체 배터리는 전극과 전해질 간 이동저항이 떨어져 에너지 효율성이 낮아지고, 전해질로 쓰이는 황화리튬 가격이 높은 점 등 상용화를 위해 극복해야 할 난제가 많다. 이에 따라 구체적인 상용화 시기는 예측하기 어려운 상태다.

일부 전문가들은 전고체 배터리가 본격적으로 양산되기 위해선 약 10년의 시간이 걸릴 것으로 전망한다. 완성차업계 한 관계자는 "전고체 배터리도 가격 경쟁력이나 기술적인 측면에서 해결해야 할 문제가 많다"며 "전고체 배터리가 대량으로 양산되려면 5~10년 이상 소요될 것"이라고 예상했다.