이 글에서 무엇을 알 수 있나요?
이 글에서는 배터리 단위 mAh(Ah), mAh/g(Ah/kg), Wh(kWh,GWh) Wh/kg 에 대해서 쉽게 알아보려고 합니다.
단위의 대한 정의보다는 단위를 어떤식으로 이용하고 무엇을 알 수 있는지 예시를들어 쉽게 알려드리려고 합니다.
어려운부분도 있지만 천천히 이해하시면 배터리 관련 단위들을 쉽게 이해할 수 있습니다.
어렵고 이해가 안되시는 부분은 댓글을 남겨주세요.
빠르게 답변드리겠습니다.
활물질의 mAh/g 단위는 무엇을 나타내나요?
활물질을 공부하다보면 mAh, mAh/g 단위를 많이 보셨을거라고 생각합니다.
mAh는 활물질이 저장하고 있는 전기(전자)의 양입니다.
mAh/g은 양극활물질 1g당 저장할 수 있는 전기(전자)의 양입니다.
= mAh/g는 양극활물질 1g당 리튬이온을 얼마나 받아들일 수 있는지에 비례합니다.
셀을 제조할때 양극활물질 용량(mAh)와 음극활물질 용량(mAh)을 맞춰줘야 합니다.
왜 셀을 제조할때 양극활물질 용량(mAh)과 음극활물질 용량(mAh)을 맞춰줘야 하나요?
예를들어 [양극, 음극활물질]을 사용해 15000mAh 셀을 만들기위해서는 [양극, 음극활물질]의 용량이 각각 15000mAh가 되야 합니다.
만약 양극활물질 15000mAh 음극활물질 30000mAh로 맞춘다면 음극활물질의 15000mAh는 낭비가 되게 됩니다.
그래서 셀을 설계할때 양극활물질과 음극활물질의 용량(mAh)을 맞춰야 활물질의 낭비가 안되고 최적의 가격으로 셀을 제조할 수있습니다.
사실 음극활물질 용량이 양극활물질 용량보다 조금 더 낮게 설계해서 셀을 제조합니다.
왜 음극활물질 용량을 양극활물질 용량보다 조금 더 낮게 설계하나요?
셀을 제조하고 첫 충전을 할때 SEI층이 만들어지면서 리튬이온이 소모됩니다.
그래서 보통 15000mAh의 셀을 제조한다고 하면 양극활물질 15000mAh을 사용하지 못합니다.
그래서 음극활물질 용량을 좀 더 낮춰 14000mAh 정도로 하여 셀을 설계 및 제조합니다.
그래서 셀의 용량은 15000mAh으로 표기되지만 실제 사용가능한 용량은 14000mAh 입니다.
이렇게 셀을 설계해야 재료를 낭비없이 사용합니다.
그리고 셀의 용량(mAh)과 활물질의 무게당 용량(mAh/g)을 알면 셀에서의 활물질 무게를 알 수 있습니다.
어떻게 셀에서 활물질의 무게를 알 수 있습니까?
예를들어 NCM811과 흑연을 사용하는20000mAh용량의 셀이 있습니다.
NCM811양극활물질의 무게당 용량이 200mAh/g 입니다.
천연흑연의 무게당 용량이 350mAh/g 입니다.
셀의 용량(mAh) ÷ 활물질의 무게당 용량(mAh/g) = 셀에 들어있는 활물질의 무게(g)
20000mAh ÷ 200mAh/g = 100g
20000mAh ÷ 350mAh/g = 57.14g
계산하면 20000mAh 용량의 셀에 NCM 100g, 천연흑연 57.14g 들어있는것을 알 수 있습니다.
양극활물질이 무게당 가격이 음극활물질보다 많이 비쌉니다.
그래도 양극활물질이 셀에 더 많이 들어가기 때문에 셀에서 차지하는 가격비중은 양극활물질이 훨씬 높습니다.
이때 중요한건 활물질의 이론용량이 아닌 실제용량으로 사용해서 계산을 해야 합니다.
활물질의 이론용량과 실제용량의 차이점이 무엇인가요?
이론용량(mAh/g)은 활물질안에 위치한 리튬이온을 끝까지 사용했을때의 용량입니다.
하지만 셀을 설계할때 활물질의 이론용량(mAh/g)은 전혀 고려하지 않고 실제용량만 고려합니다.
셀을 설계할때 활물질안에 위치한 리튬이온을 끝까지 사용하면 활물질의 구조가 무너져 셀의 수명이 빠르게 줄어들기 때문입니다.
그래서 셀을 설계할때는 활물질의 실제용량(mAh/g)을 사용해 설계합니다.
실제용량(mAh/g)은 리튬이온이 빠져나가도 무너지지 않았을때를 기준으로 하기 때문입니다.
왜 삼원계는 실제용량(mAh/g)과 이론용량(mAh/g)이 차이가 많이 발생하나요?
삼원계는 층상구조입니다.
층상구조는 리튬이온이 많이 빠져나가면 구조가 굉장히 불안정해집니다.
그래서 리튬이온은 최대로 사용하지 못하기 때문에 이론용량(mAh/g)과 실제용량(mAh/g) 차이가 많이 발생합니다.
삼원계 이론용량은 276mAh/g
삼원계 811 실제용량은 200 ~ 210 mAh/g
삼원계 9 1/2 1/2 실제용량은 210 ~ 220 mAh/g
LFP는 올리빈 구조입니다.
올리빈 구조는 리튬이온이 빠져나가도 구조가 안정합니다.
그래서 실제용량과 이론용량이 크게 차이가 나지 않습니다.
LFP 실제용량은 170mAh/g
LFP 이론용량은 150mAh/g
음극활물질도 이론용량과 실제용량이 있나요?
모든활물질에는 이론용량과 실제용량이 있습니다.
주로 사용하는 흑연의 이론용량은 372mAh/g입니다.
천연흑연의 실제용량 350 ~ 370mAh/g
인조흑연의 실제용량 300 ~ 350mAh/g
(인조흑연의 경우 만드는 방법과 재료에 따라 품질이 많이 나누어집니다.)
다시한번 말하지만 셀을 설계할때는 이론용량이 아닌 실제용량을 기준으로 계산합니다.
셀의 용량 단위가 Ah(mAh)는 무엇인가요?
예시 입니다. 각형 파우치 원통형의 의미는 없습니다.
셀의 용량 (Ah,mAh)는 아까 활물질의 용량 Ah(mAh)과 같은 의미입니다.
셀의 용량(Ah,mAh)은 저장할 수 있는 전기(전자)의양 입니다.
= 셀의 용량(Ah,mAh)는 셀에 들어있는 리튬이온에 비례합니다.
보통 셀의 용량(Ah,mAh)은 셀이 제조될때 들어간 양극활물질의 용량(mAh)에 비례합니다.
왜 셀의 용량은 양극활물질의 용량에 비례하나요?
모든셀이 그런건아니고 대부분이 그렇습니다.
정확히 말하면 셀을 제조할때 어떤 활물질에 리튬이온이 들어있는지에 정해집니다.
NCM-흑연 셀의 경우에는 제조할때 NCM양극활물질에 리튬이온이 들어간 상태로 제조하기 때문에 양극활물질의 용량에 비례합니다.
NCM양극활물질 = Li + NiCoMn + O2
LFP양극활물질 = LiFePO4
흑연 = C6
ex) NCM 용량 15000mAh + 흑연 용량 30000mAh = 셀 용량 15000mAh
반대로 리튬-황 셀은 음극활물질인 리튬금속에 리튬이온이 들어있기 때문에 음극활물질의 용량에 비례합니다.
ex) 황 용량 4000mAh + 리튬금속 용량 3000mAh = 셀 용량 3000mAh
지금까지 배운것을 한번 정리해보겠습니다.
중간 정리
위 그림은 2170원통형 셀로 용량이 5000mAh이고 무게는 68.2g 입니다.
(용량은 5000mAh지만 실제로 SEI층이 생기기 때문에 실제 사용가능한 용량은 좀 더 낮습니다.)
실제용량이 200mAh/g 인 NCA811 양극활물질, 350mAh/g 천연흑연 음극활물질을 사용했다고 가정하겠습니다.
셀의 용량(mAh) ÷ 활물질(mAh/g) = 셀에서 활물질의 무게(g) 입니다.
5000mAh ÷ 200mAh/g = 25g 입니다.
5000mAh ÷ 350mAh/g = 14.28g 입니다.
(위에서 말했지만 효율적으로 재료를 사용하기 위해서 음극활물질의 용량을 좀 더 낮춰서 설계하기 때문에 실제로는 14.28g보다는 좀 더 낮을거라고 생각합니다.)
양극활물질과 음극활물질의 각각의 무게를 알아보았습니다.
활물질의 무게(g) ÷ 셀 무게(g) = 셀에서 활물질의 무게비중
25g ÷ 68.2g = 0.36 입니다.
14.28g ÷ 68.2g = 0.21 입니다.
그러면 셀의 무게에서 양극활물질이 36%, 음극활물질 21%를 차지하는것을 알 수 있습니다.
나머지는 원통형 케이스 및 전해액, 분리막, 집전체 등등이라고 생각해주시면 됩니다.
여기까지 mAh, mAh/g의 단위에 대해서 알아보았고 이제부터는 Wh,Wh/kg에 대해서 알아볼겁니다.
그럼 셀의 용량 단위 Wh는 무엇을 나타내나요?
셀의 목적은 전기차의 에어컨, 모터, 자율주행시스템 등등을 전자제품을 가동시키기 위함입니다.
전자제품에 필요한 전력소비량량의 단위가 Wh입니다.
예를들어 전기차의 모터를 가동시키는데 필요한 전력량은 10kWh입니다.
그래서 우리는 셀의 용량을 Wh로 나타내야 셀이 전자장치를 얼마나 구동시킬 수 있는지 쉽게 알 수 있습니다.
셀의 용량단위로 mAh도 사용하지만 셀부터는 mAh용량보다는 Wh용량을 주로 사용합니다.
Ah(mAh)에서 Wh로 어떻게 단위 변환하나요?
Ah x V(평균작동전압) = Wh 입니다.
V(평균작동전압) = 양극활물질 평균작동전압 - 음극활물질 평균작동전압 입니다.
삼원계-흑연의 평균작동전압은 3.7 ~ 3.8V
LFP-흑연의 평균작동전압은 3.2 ~ 3.3V
예시를 들어보겠습니다.
BYD의 블레이드 LFP셀입니다.
위의 셀 사양을 보시면 202Ah과 작동전압은 3.2V 입니다.
그래서 BYD 셀의 용량은 202Ah x 3.2V = 646.4Wh 입니다.
자동차 에어컨 한시간에 1000Wh(1kWh)가 필요하다고 가정하겠습니다.
자동차 에어컨을 1시간을 가동시키기 위해서는 1.54개의 BYD셀이 필요합니다.
Tesla의 삼원계 양극활물질을 사용한 4680 셀입니다.
위의 셀 사양을 보시면 26.136Ah과 작동전압은 3.7V 입니다.
그래서 Tesla 셀의 용량은 26.136Ah x 3.7V = 96.7Wh 입니다.
구동모터 한시간에 10000Wh(10kWh)가 필요하다고 가정하겠습니다.
구동모터를 1시간을 가동시키기 위해서는 103.4개의 셀이 필요합니다.
셀의 에너지밀도(Wh/kg)는 무엇을 뜻하나요?
셀의 용량(Wh)를 셀의 무게(kg)로 나눈게 셀의 에너지밀도(Wh/kg) 입니다.
BYD 블레이드 셀 한개 용량은 646.6Wh(LFP)
Tesla 4680 셀 한개 용량은 96.7Wh (NCM)
LFP 블레이드 셀의 용량 > NCM 4680 셀의 용량
LFP 블레이드 셀의 에너지밀도 < NCM 4680 셀의 에너지 밀도
보시면 LFP 셀의 용량이 NCM 셀보다 높습니다. 사실 이게 틀린게 아닙니다.
LFP셀이 삼원계 셀보다 무겁고 크다면 셀의 용량은 높을 수 있습니다.
그래서 둘의 성능을 정확히 비교하기 위해서는 에너지 밀도(Wh/kg)로 비교해야합니다.
셀의 에너지밀도(Wh/kg)는 어떻게 구하나요?
위의 BYD 블레이드 셀의 용량은 646.6Wh라고 했습니다.
셀의 무게는 3.92kg 입니다.
셀의 용량을 무게로 ÷ 셀의 에너지밀도 입니다.
646.6Wh ÷ 3.92kg = 165Wh/kg 입니다.
위의 테슬라 4680 셀의 용량은 96.7Wh라고 했습니다.
셀의 무게는 0.355kg 입니다.
셀의 용량 ÷ 셀의 무게로 셀의 에너지밀도 입니다.
96.7Wh ÷ 0.355kg = 272Wh/kg 입니다.
즉 테슬라의 에너지밀도가 BYD의 에너지밀도보다 1.64배가 높습니다.
팩의 용량 Wh는 무엇을 뜻하나요?
셀이 모이면 팩입니다.
모듈을 생략한 이유는 대부분 모듈을 사용하지 않는 셀투팩 방향으로 가고있기 때문입니다.
당연히 팩의 목적도 전기차의 에어컨, 모터, 자율주행시스템 등등을 전자제품을 가동시키기 위함입니다.
그래서 팩의 용량 Wh는 팩이 전자장치를 얼마나 구동시킬 수 있는지를 보여줍니다.
예를 들면 BYD의 tang의 팩 용량은 108.8kWh 입니다.
그리고 17.1kWh당 100km를 이동할 수 있습니다.
108.8kWh ÷ 17.1kWh 6.35 입니다.
635km를 이동할 수 있다는 뜻입니다.
물론 에어컨을 키거나 자율주행등을 키면 이동거리가 줄어들게 됩니다.
팩의 에너지밀도(Wh/kg)은 무엇을 뜻하나요?
팩의 에너지밀도는 보통 팩안에 셀이 얼마나 효율적으로 들어갈 수 있는지를 나타낼 수 있습니다.
BYD 돌핀의 배터리 팩 용량이 44.9kWh인것을 보실 수 있습니다.
팩의 무게는 308.6kg 입니다.
팩의 무게 ÷ 팩 용량 = 팩의 에너지 밀도
308.6kg ÷ 44.9kWh = 145kWh/kg
팩의 에너지밀도는 145kWh/kg 입니다.
(위와 팩의 용량이 비슷하면서 삼원계셀을 사용하는 모델과 비교를 해보겠습니다.)
스텔란티스의 피아트의 배터리 팩 용량이 42.2kWh 인것을 보실 수 있습니다.
팩의 무게는 297kg 입니다.
팩의 무게를 팩 용량으로 나누면 팩의 에너지밀도 입니다.
팩의 에너지 밀도는 142kWh/kg 입니다.
무언가 이상하다는것을 느끼셨나요?
어떤게 이상한가요?
LFP셀을 이용한 BYD돌핀 팩의 에너지 밀도가 145kWh/kg 입니다.
삼원계셀을 이용한 피아트500e 팩의 에너지 밀도가 142kWh/kg 입니다.
LFP셀을 이용한 팩의 에너지밀도가 삼원계셀을 이용한 팩의 에너지밀도보다 높습니다.
즉 비싼 삼원계 셀을 이용한 피아트500e 팩은 저렴한 LFP셀을 이용한 BYD 돌핀의 팩보다 에너지 밀도는 떨어지게 됩니다.
왜 이렇게 되었나요?
이게 BYD의돌핀은 셀투팩을 적용했지만 피아트500e는 셀투팩을 적용하지 않았기 때문입니다.
위에보시면 피아트500e의 팩사진을 보시면 모듈로 이루어져있습니다.
셀투팩기술의 핵심은 모듈 및 팩의 부품의 무게를 줄이는것 입니다.
모듈 및 팩의 부품 = 팩의 무게 - 팩 안의 셀 무게
즉 모듈 및 팩의 부품을 최소화 시켜 가벼워야 팩의 에너지밀도가 높아집니다.
계산해서 팩의 부품 무게를 알아보겠습니다.
BYD 돌핀 팩의 무게 = 308.6kg
BYD 돌핀 셀의 한개 무게 = 3.92kg
BYD 팩에는 셀이 70개 들어갑니다.
BYD 팩 안에 셀의 무게는 272kg 입니다.
308.6kg - 272kg = 36.6kg = 모듈 및 팩의 부품무게 입니다.
피아트 500e 팩의 무게 = 297kg
피아트 500e 셀의 한개 무게 = 0.97kg
피아트 500e 팩에는 셀이 190개 들어갑니다.
피아트 500e 팩 안에 셀의 무게는 184.3kg 입니다.
297kg - 184.3kg = 112.7kg = 모듈 및 팩 부품 무게 입니다.
즉 셀의 에너지밀도가 높은 삼원계 셀을 사용해도 팩과 모듈 부품을 많이 사용한다면 팩의에너지 밀도가 떨어집니다.
삼원계 셀을 사용하는 삼성, LG, SK 모두 최근에는 셀투팩 기술을 적용하려고 노력하고 있기 때문에 삼원계도 팩의 에너지밀도가 빠르게 올라올거라고 생각됩니다.
전기차에 사용가능한 용량은 무슨뜻인가요?
사용가능 용량은 실제 운전자가 사용가능한 용량을 뜻합니다.
테슬라 모델 3로 예시를 들겠습니다.
테슬라 모델 3 Nominal Capacity 공칭용량은 60kWh입니다.
테슬라 모델 3 Useable Capacity 사용가능용량은 57.5kWh 입니다.
우선 셀은 활물질의 실제용량을 기준으로 설계한다고 말씀드렸습니다.
그래서 팩의 실제용량이 줄어드는건 활물질의 실제용량 이론용량과는 전혀 상관없습니다.
그러면 왜 사용가능한 용량은 줄어드나요?
셀의 제조단계를 3단계로 나누면 전극 - 조립 - 활성화 입니다.
이때 조립공정을 기준으로 제조된 셀의 용량을 기준으로 했을때가 공칭용량입니다.
그리고 활성화공정에서 한번 충방전이 된 셀의 용량을 기준으로 했을때가 사용가능한 용량입니다.
팩을 제조하고 한번 충방전 시켰을떄 셀 안의 리튬이온 일부분이 SEI층 형성에 사용 됩니다.
그래서 사용가능한 용량은 약간 줄어들게 됩니다.
전기차의 전기요금은 얼마나 나오나요?
50kW 급속충전기는 1시간 동안 50kWh의 전력을 공급한다는 의미입니다.
배터리 팩의 사용가능 용량이 50kWh라면 한시간이면 0% ~ 100%까지 충전이 된다는 의미입니다.
(충전기가 실제로 50kWh까지 공급하지는 못하고 저항으로 인해 40 ~ 45kWh정도 공급한다고 합니다.)
예를들어 50kW 충전기로 50kWh 용량의 전기차를 충전하겠습니다.
위를 표를 보면 1kWh에 324.4원이라고 나와있습니다.
324.4 x 50 = 16220원 입니다.
전기차와 가솔린차를 비교해주세요.
가솔린 코나와 ev 코나를 비교해보겠습니다.
가솔린 코나의 연비는 13.5km/L 입니다.
휘발유는 1L에 1300원이므로 1km에 96원 입니다.
ev 코나의 연비는 5.8km/kWh 입니다.
전기 충전비용은 1kWh에 324.4원 이므로 1km에 55원 입니다.
전기 충전비가 올랐지만 아직까지는 전기충전비용이 대략 1.8배 낮습니다.
전기차 생산공장의 생산CAPA에서 GWh는 어떤기준인가요?
보시면 공장마다 CAPA가 10 ~ 110GWh이라고 나와있습니다.
100GWh= 100,000,000,000Wh = 100,000,000kWh 입니다.
아까 위에서 말했듯이 셀의 제조공정은 전극 - 조립 - 활성화로 나누어진다고 했습니다.
여기서 공장 CAPA는 조립공정이 끝난 셀의 용량을 기준으로 합니다.
(사용가능용량이 아닌 공칭용량기준으로 공장의 CAPA가 계산됩니다.)
100GWh의 공장은 몇만대의 전기차에게 배터리를 공급할 수 있나요?
70kWh용량의 전기차에 배터리를 공급한다고 가정하겠습니다.
100,000,000kWh 나누기 70kWh = 142만대의 차량에게 셀을 공급할 수 있습니다.
배터리 과잉공급 아닌가요?
LG에너지 솔루션 기준으로 25년 공장의 예상 CAPA가 최대 450GWh에서 500GWh 입니다.
500GWh는 70kWh 용량의 전기차 710만대에게 셀을 공급할 수 있습니다.
하지만 500GWh는 계속 생산을 했을때의 기준이고 실제로는 공장을 100%로 가동할 수 없습니다.
만약 가동률 80%를 기준으로 생산한다면 LG는 400GWh 용량의 셀을 공급할거라고 예상됩니다.
그리고 LG가 현재 배터리 점유율이 13.6%지만 25년까지 미국시장을 중심으로 성장해 점유율 20%까지 성장한다고 가정하겠습니다.
그러면 25년에 전세계 배터리 공급량은 2000GWh로 예상됩니다.
2000GWh는 70kWh 용량의 전기차 28,571,428만대 를 공급할 수 있습니다.
22년 전세계 차량 판매댓수는 대략 8000만대 입니다.
22년 전기차 판매량은 800만대로 10% 비율입니다.
25년에 전기차 비율이 20%까지 성장한다고 가정을 한다면 전기차 1600만대의 판매량이 예상됩니다.
미래라서 정확하지는 않지만 제 예상대로 된다면 배터리 공급과잉이 일어날 수 도 있다고 생각이 됩니다.
그리고 반도체처럼 치킨싸움은 일어날 수 있을거라고 생각합니다. 이 치킨싸움을 이긴 기업들이 30년에 많은 이익을 얻을거라고 예상하고 있습니다.
이 의견은 언제든지 바뀔 수 있습니다.
마무리
재미없는 글 끝까지 봐주신 분들게 정말 감사드립니다.
공감을 많이 눌러주시면 감사하겠습니다.