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2018 주목받는 배터리 충전 표준기술 '톱5'

속도는 빠르게, 용량은 더 크게…2차 전지 수요 폭발적 증가

2018.01.03(Wed) 19:07:24

[비즈한국] 배터리로 인해 세계적인 IT 공룡들이 흔들리고 있다. 2016년에는 삼성전자가 갤럭시노트7 발화 사고에 따른 전량 리콜로 한 차례 홍역을 겪더니, 2017년은 애플 차례가 됐다. 아이폰 배터리가 일정 기준 이상 노후화 될 경우, 소비자들에게 미리 알리지 않고 성능을 제한하는 조치를 한 사실이 밝혀진 것. 각국 소비자들은 집단소송을 준비하는 가운데 주가는 처참하게 폭락했다.

 

타이어를 직접 만드는 자동차 메이커가 없듯이, 배터리를 직접 만드는 스마트폰 기업도 없다. 전문 업체로부터 납품을 받는 구조이다 보니 다른 부품에 비해 발전도 더디고 품질 관리에도 허점이 발생한다는 지적이다. 배터리는 지난 수년간 에너지 밀도만 높아졌을 뿐 기본적인 구조나 원리는 그대로다. 

 

반면 배터리에 대한 수요는 매년 큰 폭으로 증가하는 추세다. 스마트폰의 뒤를 이어 전기차가 빠르게 떠오르고 있고, 그 외에도 전동 탈 것, 드론, 태블릿, 각종 생활가전 등 충전이 필요한 제품들이 쏟아진다.

 

그간 지적돼 온 배터리의 단점을 보완할 각종 신기술이 올해는 상당 부분 대중화될 것으로 예상된다. 완벽하게 차세대 배터리가 등장하기 전까지 소비자들의 불편과 우려를 조금이나마 덜어줄 배터리 및 충전 신기술에는 무엇이 있는지 살펴봤다.

 

# USB-PD

 

애플은 과거 맥북을 통해 USB-C 타입 케이블로 노트북을 충전할 수 있음을 가장 먼저 보여줬다. 사진=프리디 제공

 

스마트폰의 대중화로 USB 포트에 케이블을 연결하면 충전이 된다는 사실은 널리 알려져 있다. 하지만 속도가 느리다. 전압(V)과 전류(A)를 곱하면 전력(W)이 된다. USB 2.0 규격에서 전력 공급은 고작 5V 기준 500mA(2.5W)에 불과했다. 3.0 규격에서조차 기본은 900mA(4.5W)다. 태블릿은 물론 스마트폰조차 1A 이상 충전 전류량을 요구하는 요즘 시대에는 한참 부족하다.

 

USB-PD(Power Delivery)는 USB-C 타입을 기반으로 만들어진 최대 100W급 충전 규격이다. 넉넉한 충전 전력량으로 인해 스마트폰은 물론 노트북까지 충전 가능하다. USB-PD에는 필요에 따라 10W, 18W, 36W, 60W, 100W까지 지원되며, 전압도 최대 20V까지다. 막강한 전력 충전 능력으로 인해 USB-PD는 현재 가장 주목받는 전력 공급 규격으로 떠올랐다.

 

현재 애플 아이폰X, 맥북, 최신 윈도우OS 기반 노트북 등이 충전 규격으로 USB-PD를 채택하고 있다. 이러한 수요에 발맞춰 보조배터리와 유전원 멀티 충전기도 시중에서 얼마든지 구할 수 있다. 아직까지 가격은 다소 비싼 편. 하지만 올해 급격한 대중화가 예상되면서, 가격도 상당히 안정될 것으로 보인다.

 

# 콤보1


자동차 개발의 긴 주기를 감안하면 콤보1은 테슬라를 제외한 국내 전기차 시장에서 표준 충전 규격으로 자리 잡을 가능성이 매우 커졌다. 사진=미국자동차공학회 홈페이지

 

전기 자동차 충전 방식은 크게 ‘콤보1’​, ‘​차데모’​, ‘​3상 AC’​ 세 가지로 압축된다. 아직 본격적인 도입 이전이다 보니 각 전기차 메이커들이 충전 규격을 모두 지원하는 방식으로 충전소가 건설되는 상황. 이로 인해 불필요한 비용이 생기고 유지보수가 더욱 어려워진다.

 

2017년 말 국가기술표준원은 전기차 급속 충전방식 표준안으로 콤보1을 권장하는 내용을 담은 한국산업규격(KS) 개정안을 고시했다. 콤보1은 일종의 북미식이다. 직류와 교류를 동시에 지원해서 콤보라는 이름이 붙었다. 현재 현대차 아이오닉을 비롯해 BMW, 한국지엠 등이 채택하고 있다. 

 

다만 전기차 대명사 ‘​테슬라’​​는 자체 충전 규격 ‘​슈퍼 차저’​​를 채택하고 있다. 마치 애플이 라이트닝 케이블만 고집하는 것을 떠올리게 하는 대목이다. 테슬라가 아닌 전기차를 구매할 계획이라면 콤보1을 지원하는지 확인하는 것이 현재 가장 안전적인 선택이다.

 

# 21700 원형 배터리

 

테슬라에 이어 삼성SDI, LG화학 등 국내 기업과 중국 기업까지 21700 원형 배터리 생산량 확대에 팔을 걷어붙이고 있다. 사진=삼성SDI 홈페이지

 

보조배터리를 분해해보면 건전지 모양의 원통형 배터리가 회로에 연결돼 있는 것을 발견할 수 있다. 재충전이 가능한 원통형 배터리는 제조사와 상관없이 규격이 동일한 것이 특징이다. 가령 테슬라에는 이러한 원통형 배터리 7000개가 탑재돼 있다.

 

지금까지 가장 대중적인 규격은 ‘18650 배터리’​​였다. 여기서 18650이란 지름 18mm, 길이가 65mm라는 의미다. 여기서 한 단계 성능이 업그레이드 된 21700 배터리가 지난해부터 생산량이 크게 늘어 주목된다. 이름 그대로 지름은 21mm, 길이는 70mm다. 크기는 약간 커졌지만, 충전용량은 50%가량 늘었다.

 

지난해 하반기부터 삼성SDI와 파나소닉이 생산량을 급격히 늘리고 있으며, 중국 기업들도 본격적인 투자에 나섰다. 전기차를 중심으로 수요가 계속 있을 것으로 보고 연간 생산량이 계속 늘어나는 것. 테슬라는 일찌감치 21700 배터리를 모델3에 탑재해 왔다.

 

# 15W 급 무선충전

 

아이폰X의 무선충전 규격은 7.5W로 Qi가 정한 표준 규격은 아니다. 다만 기존 5W급 무선충전 패드와 완벽히 호환된다. 사진=애플 홈페이지

 

애플이 아이폰 최초로 무선충전 기능을 탑재한 ‘아이폰X’​​, ‘아이폰8’​​을 최초 공개하면서, 자체 제작한 무선충전 패드를 발표하지 않은 것은 상당히 이례적인 일이다. 무선충전만큼은 자체 표준이나 독자 규격보다는 무선전력 컨소시엄(WPC)이 정한 치(Qi) 규격을 준수하겠다는 의지로 해석되기 때문이다.

 

초창기 무선충전 기능은 편리하지만 충전 속도가 다소 답답했다. 이를 보완하기 나온 기술이 15W급 중전력 무선충전이다. 아직 15W급 무선충전을 지원하는 IT기기가 없음에도 불구하고, 액세서리 업체들이 발 빠르게 선보일 정도로 관심이 높다. 현재 삼성 갤럭시S 최신 모델은 9W, 아이폰X는 7.5W급이 무선충전을 지원한다. 둘 다 정식 규격과는 거리가 멀지만, 그만큼 무선충전 속도를 향상시키기 위한 불가피한 선택으로 보인다.

 

무선 인터넷 속도가 유선을 뛰어넘었듯이, 향후 무선충전 역시 유선보다 더 빠르게 충전될 가능성도 충분하다는 것이 업계 관계자들의 중론이다.


# NCM811

 

SK이노베이션은 올해 6월 출시될 기아차 ‘니로’​에 NCM811 배터리를 탑재할 예정이라고 밝혔다. 사진=SK이노베이션

 

NCM811은 삼원계 배터리 기술의 ‘​끝판왕’으로 불린다. 우리가 흔히 불리는 리튬이온 배터리의 양극재를 구성하는 성분은 니켈, 코발트, 망간 혼합물이다. 니켈 비율을 높일수록 에너지 밀도가 높아지지만 그만큼 수명과 안전성이 낮아지게 된다. 기존 배터리의 NCM 혼합비율을 6:2:2. 반면 NCM811 배터리는 비율이 8:1:1이다.

 

SK이노베이션은 2018년 새해 NCM811을 양산해 국산 전기차인 기아 ‘니로’​에 탑재한다는 계획을 발표했다. 기존 배터리 대비 주행 거리가 10%가량 늘어날 것이라는 설명이 곁들여졌다. 단순히 개발 성공이 아니라 실제 판매되는 전기차에 탑재한다는 의미는 안정성과 수명 문제를 극복할 방법을 찾았다는 의미로 해석된다.

 

한국 기업 주도로 NCM811 배터리가 빠르게 대중화 될 경우 중대형 2차 전지 시장에도 지각 변동이 예상된다. 지금보다 전기차 보급에 더욱 속도를 낼 수 있을 뿐 아니라 국가 간 주도권 경쟁에서도 우위에 설수 있을 것으로 업계는 보고 있다.​ 

봉성창 기자 bong@bizhankook.com


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