배터리식 전기자동차

1. 개요

배터리식 전기 자동차(BEV)는 외부 전력원으로 충전하는 배터리를 동력으로 사용하는 전기 자동차의 한 종류이다. 1880년대에 실험적인 전기 자동차가 제작된 이후, 1890년대에 최초의 실용적인 BEV가 등장했다. BEV는 승용차, 버스, 트럭, 오토바이, 스쿠터, 자전거, 보트 등 다양한 종류로 개발되었으며, 최근에는 리튬 이온 배터리 기술의 발달로 인해 더욱 주목받고 있다. BEV는 운행 중에는 온실 가스를 배출하지 않지만, 배터리 생산 및 전력 생산 과정에서 환경적 영향을 미친다. BEV의 보급에는 가격, 충전 인프라, 주행 거리, 정치적 이념 등 여러 요인이 영향을 미치며, 국가별로 채택률에 차이를 보인다.

2. 용어

하이브리드 전기 자동차는 전기 모터와 내연 기관을 모두 사용하며, 순수 전기 자동차 또는 완전 전기 자동차로 간주되지 않는다.

배터리를 외부에서 충전할 수 있는 하이브리드 전기 자동차는 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)라고 불리며, 전력 소모 모드 동안에는 BEV로 작동한다. 직렬 구동계를 갖춘 PHEV는 쉐보레 볼트와 피스커 카르마와 같이 주행 거리 연장 전기 자동차(REEV)라고도 불린다.

플러그인 전기 자동차 (PEV)는 전기 자동차의 하위 범주로, 배터리 전기 자동차(BEV)와 플러그인 하이브리드 차량 (PHEV)을 포함한다.

기존 내연 기관 차량이나 하이브리드 전기 자동차를 전기 자동차로 바꾸는 전기 자동차 개조도 이루어진다.

중국에서는 플러그인 전기 자동차(BEV, PHEV)와 하이브리드 전기 자동차(HEV)를 함께 신에너지 자동차(NEV)라고 부른다. 반면, 미국에서 근거리 전기 자동차 (NEV)는 법적으로 시속 45mph 이하의 속도 제한이 있는 도로로 주행이 제한되며, 일반적으로 최고 속도가 30mph이고 최대 적재 중량이 약 1360.78kg인 배터리 전기 자동차를 의미한다.

3. 역사

1880년대에 귀스타브 트루베, 토마스 파커, 안드레아스 플로켄 등이 실험적인 전기 자동차를 제작했지만, 최초의 실용적인 배터리 전기 자동차는 1890년대에 등장했다.
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1931년부터 배터리를 사용하는 차량인 밀크 플로트가 영국에서 널리 보급되기 시작했고, 1967년까지 영국은 세계에서 가장 많은 전기 자동차를 보유한 국가가 되었다. 20세기 대부분 동안 전 세계 배터리식 전기 도로 차량의 상당수는 영국의 밀크 플로트였다.

이후 2차 전지 기술, 특히 높은 에너지 밀도를 가진 리튬 이온 전지가 개발되면서 배터리식 전기 자동차는 가속력과 주행 거리 등에서 더 뛰어난 성능을 갖추게 되었다.

4. 대한민국의 전기자동차 개발

대한민국에서의 전기자동차 개발은 1990년대 초반부터 시작되었다. 현대자동차는 1991년 11월, 쏘나타를 기반으로 한 첫 전기자동차를 독자 개발했다고 발표하며 국내 전기차 개발의 시작을 알렸다. 이후 현대자동차는 엑셀, 쏘나타, 스쿠프 등 다양한 차종을 기반으로 전기자동차 개발을 지속했으며, 성능 개선 노력을 이어갔다.

특히 1996년에는 니켈메탈수소전지를 장착하여 성능을 개선한 엑센트 EV를 개발했고, 1997년에는 이 모델로 미국 CARB의 무공해차(ZEV) 인증을 획득하는 성과를 거두었다. 이는 대한민국 자동차로는 최초의 ZEV 인증으로, 당시 세계적으로도 소수의 자동차 제조사만이 달성한 것이었다. 이러한 초기 개발 노력은 대한민국 전기자동차 기술 발전의 중요한 토대가 되었다.

4.1. 현대자동차

1991년 11월 21일, 현대자동차는 대한민국 최초의 전기자동차를 독자 개발했다고 발표했다. 이는 쏘나타를 기반으로 제작되었으며, 최고 속도 60km/h, 1회 충전 주행거리 70km의 성능을 가졌다. 연구 기간은 1년 11개월이 소요되었다.

이후 현대자동차는 지속적으로 전기자동차 모델을 개발했다.

현대자동차는 1993년 쏘나타 및 스쿠프 기반 전기차 개발 발표 당시, 이를 통해 1998년부터 미국 캘리포니아 주에서 시행될 예정이었던 전기자동차 의무 판매 규정에 대응할 기술 기반을 확보했다고 밝혔다.

1996년 3월 18일에는 니켈메탈수소전지를 장착한 엑센트 EV 개발을 발표했다. 이 모델은 최고 속도 140km/h, 1회 충전 주행거리 390km로 성능이 크게 향상되었으며, 정지 상태에서 시속 100km까지 도달하는 데 15초가 걸렸다. 1994년 1월 개발을 시작하여 2년 2개월 동안 15명의 연구 인력과 1의 연구개발비가 투입되었다.

1997년 5월 7일, 현대자동차는 엑센트 EV가 미국 CARB(California Air Resources Board)로부터 무공해차(ZEV, Zero Emission Vehicle) 인증을 획득했다고 발표했다. 이는 대한민국 자동차로는 최초의 ZEV 인증이었으며, 세계적으로는 GM, 포드, 크라이슬러, 혼다에 이어 5번째 성과였다. 인증을 위해 1997년 3월부터 캘리포니아 엘몬티 지역에서 배터리 용량, 주행거리, 동력 성능, 충전기 및 에어컨 효율 등 총 11개 항목의 시험을 통과했다. 당시 현대자동차는 2000년 이전에 엑센트 EV를 양산할 계획이라고 밝혔으나, 차량에 탑재되는 배터리 가격만 70~80에 달해 경제성 확보에는 어려움이 있었다.

5. 종류

배터리식 전기 자동차(BEV)는 차량에 탑재된 충전된 배터리를 추진력으로 사용한다. 높은 유가와 리튬 이온 배터리와 같은 새로운 배터리 기술의 발전으로 인해 BEV는 점점 더 매력적인 선택지가 되고 있다. 이러한 기술 발전은 더 적은 배터리로도 더 나은 가속력과 더 넓은 주행 거리를 가능하게 한다.

BEV는 다양한 형태로 개발 및 운용되고 있다.

* [[자동차|승용차]], [[트럭#소형 트럭|소형 트럭]], [[근거리 전기 자동차]]: 가장 일반적인 형태의 BEV이다.
* [[배터리식 전기 동차]]: 일본 등에서 상업적으로 운행되고 있다. 전철화된 구간이나 특정 역에서 팬터그래프를 통해 충전하고, 비전철화 구간에서는 배터리 동력으로 운행한다. 일부 노선에서는 디젤 동차를 성공적으로 대체했으며, 다른 국가에서도 시험 또는 도입을 추진하고 있다.

* [[배터리 전기 기관차|기관차]] 및 전기 철도 트롤리: 특수한 용도의 전기 철도 차량으로도 개발되고 있다.
* 특수 목적 차량: 골프 카트, 전동 골프 카트, 우유 수레, 전지형 차량, 근린형 전기차 등 매우 다양한 종류가 있다. 특정 제조업체는 공장 내부에서 사용되는 전동 작업 기계를 전문적으로 생산하기도 한다.
* [[전기 오토바이 및 스쿠터]]: 이륜 또는 삼륜 형태의 전기 이동 수단이다. 삼륜차에는 사이클 릭샤를 동력화한 전기 릭샤 등이 포함된다. 전기 이륜차의 대규모 보급은 교통 소음과 도로 혼잡을 줄일 수 있지만, 기존 도시 기반 시설과 안전 규정의 개선이 필요할 수 있다.
* [[전기 자전거]]: 페달 보조 방식(페달렉)이나 스쿠터 형태 등 다양한 전기 자전거가 보급되고 있다.
* 개인 이동 수단: 전동 외발 자전거, 전동 휠, 전동 킥보드, 전동 스케이트보드 등 새로운 형태의 개인용 전기 이동 수단이 계속 등장하고 있다.
* [[전기 보트]]: 전 세계적으로 여러 척의 배터리식 전기 선박이 운항 중이며, 일부는 상업용으로 사용된다. 전기 페리도 운행되거나 건설되고 있다.

BEV의 충전 방식은 일반적으로 외부 전원에 플러그를 연결하여 충전하는 방식이 일반적이지만, 충전된 배터리 자체를 교체하는 방식도 사용된다.

5.1. 승용차

배터리식 전기 자동차(BEV)는 차량에 탑재된 충전된 배터리를 동력원으로 사용한다. 높은 유가와 리튬 이온 배터리 같은 새로운 배터리 기술의 발전으로 BEV는 점점 더 주목받고 있다. 이러한 기술 발전은 더 적은 배터리로도 더 나은 가속력과 더 긴 주행 거리를 가능하게 한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리는 기존 납축전지보다 에너지 밀도가 2.5배에서 7.3배 더 높다. 하지만 가솔린과 같은 석유 기반 연료의 에너지 밀도에는 아직 미치지 못한다. 그럼에도 불구하고, 전기 모터의 높은 변환 효율 덕분에 BEV는 저장된 에너지 1MJ당 비슷한 크기의 내연 기관 차량보다 약 3배 더 멀리 주행할 수 있다.

BEV에는 자동차(승용차), 소형 트럭, 근거리 전기 자동차 등이 포함된다. 이 중 승용차가 대표적인 형태이다.

승용 전기차는 뛰어난 가속력을 제공하며 일반적으로 충분한 최고 속도를 낸다. 그러나 2015년 기준으로 배터리의 에너지 밀도가 탄소 기반 연료에 비해 낮아, 차량 무게에서 배터리가 차지하는 비중이 크면서도 1회 충전 주행 거리는 상대적으로 짧은 경우가 많다. 배터리 재충전에도 상당한 시간이 소요될 수 있다. 하지만 일상적인 운행이나 하룻밤 사이에 충전이 가능한 단거리 이동에는 매우 실용적인 교통수단이다.

전기 자동차는 무공해 차량으로서 도시의 대기 오염을 줄이는 데 크게 기여할 수 있다. 다만, 차량 운행 과정에서의 온실 가스 감축 효과는 전기를 생산하는 방식에 따라 달라진다.

자동차 배출 가스로 인한 도시 오염 문제 해결, 석유 의존도 감소, 그리고 상승하는 유가 등의 요인으로 전기 자동차는 자동차 산업에 큰 변화를 가져오고 있다. 세계 각국 정부는 전기 자동차 및 관련 부품 개발을 위해 막대한 자금을 지원하고 있다.

현재 다양한 제조사에서 여러 종류의 승용 전기차를 판매하고 있으며, 관련 정보는 전기 자동차 판매 차량 목록에서 찾아볼 수 있다.

5.2. 버스

전기 버스는 대중교통 분야에서 친환경적인 대안으로 주목받고 있다.

테네시주 채터누가는 1992년부터 9대의 무료 요금 전기 버스를 운영해왔다. 이 버스들은 1,130만 명의 승객을 수송하고 3100000km의 거리를 운행했으며, 지역 업체인 Advanced Vehicle Systems에서 제작되었다. 이 중 2대는 1996년 하계 올림픽에서도 사용되었다.

2000년 여름에는 홍콩 국제공항에서 16인승 미쓰비시 로사 전기 셔틀 버스 운행을 시작했고, 같은 해 가을에는 뉴욕시에서 66인승 배터리 구동 스쿨 버스인 블루 버드 TC/2000의 완전 전기 버전을 시험 운행했다. 유사한 버스가 캘리포니아주 나파 밸리에서도 2004년 4월까지 14개월 동안 운행된 바 있다.

2008년 베이징 올림픽에서는 50대의 전기 버스 차량이 사용되었다. 이 버스들은 에어컨을 켠 상태에서도 130km의 주행 거리를 가졌으며, 리튬 이온 배터리를 사용하고 약 1 kWh/mi의 에너지를 소비했다. 베이징 이공대학에서 설계하고 징화 코치에서 제작했으며, 24시간 운행을 위해 충전소에서 완전히 충전된 배터리로 교체하는 방식을 사용했다.

프랑스에서도 전기 버스 개발이 진행 중이며, 여러 도시에서 이미 일부 버스가 운행되고 있다. 파리 지역의 중소기업 PVI는 Gepebus 브랜드(Oreos 2X 및 Oreos 4X)로 시장을 이끌고 있다.

미국에서는 2010년 9월부터 캘리포니아주 포모나의 푸트힐 교통국에서 최초의 배터리 전기 급속 충전 버스가 운행을 시작했다. Proterra의 EcoRide BE35는 티탄산 리튬 배터리를 사용하여 10분 이내에 급속 충전이 가능하다. 2012년 기준으로 캘리포니아에서 대형 트럭 및 버스는 지구 온난화 배출량의 7%를 차지했다.

2014년에는 최초의 양산형 완전 전기 스쿨 버스가 캘리포니아 샌 호아킨 밸리의 킹스 캐년 통합 교육구에 인도되었다. 이는 교육구가 주문한 4대 중 하나로, 4개의 소듐 니켈 배터리를 탑재했으며, 학생 수송용으로 승인된 최초의 현대식 전기 스쿨 버스였다. 2016년에는 경량 대형 차량을 포함하여 캘리포니아에 약 150만 대의 대형 차량이 운행되었다. 동일한 기술이 마운틴 뷰 커뮤니티 셔틀에도 적용되었으며, 이 프로그램은 캘리포니아 에너지 위원회와 구글의 지원을 받았다.

홍콩에 본사를 둔 썬더 스카이(Thunder Sky)는 잠수함용 리튬 이온 배터리를 제조하며, 세 가지 모델의 전기 버스를 생산한다. 10/21인승 EV-6700은 20분 급속 충전으로 280km 주행이 가능하며, 43인승 시내 버스 EV-2009와 고속 버스 EV-2008은 급속 충전(80%까지 20분)으로 300km, 완전 충전(25분)으로 350km를 주행할 수 있다. 이 버스들은 미국과 핀란드에서도 생산될 예정이다.

오스트레일리아 애들레이드에서는 완전 전기 버스인 Tindo가 운행 중이다. Tindo(원주민 언어로 '태양'을 의미)는 뉴질랜드의 Designline International에서 제작되었으며, 애들레이드 중앙 버스 터미널의 태양광 발전 시스템으로 전력을 공급받는다. 애들레이드 대중교통 시스템의 일부로 무료 운행된다.

프로테라의 EcoRide BE35 대중교통 버스는 캘리포니아주 웨스트 코비나의 풋힐 교통국에서 '에콜라이너(Ecoliner)'라는 이름으로 운행되며, 급속 충전이 가능한 대형 배터리 전기 버스이다. 프로테라의 프로드라이브(ProDrive) 구동 시스템은 UQM 모터와 회생 제동을 사용하여 사용 가능한 에너지의 90%를 회수하여 테라볼트(TerraVolt) 에너지 저장 시스템으로 되돌려 보내며, 이를 통해 버스의 총 주행 가능 거리를 31~35% 늘린다. 한 번 충전으로 약 48.28km ~ 약 64.37km를 주행할 수 있으며, 일반적인 디젤 또는 CNG 버스보다 최대 600% 더 연비가 좋고, CNG보다 탄소를 44% 덜 배출한다. 그러나 프로테라 버스는 일부 문제점을 겪기도 했으며, 특히 필라델피아에서는 전체 버스 운행이 중단되기도 했다.

5.3. 트럭

배터리식 전기 자동차(BEV)에는 자동차, 소형 트럭, 근거리 전기 자동차 등이 있다.

20세기에는 영국의 밀크 플로트(우유 배달차)가 대표적인 전기 트럭으로 사용되었다. 21세기에 들어서는 BYD와 같은 기업들이 전기 트럭을 대규모로 개발하고 있다.

2012년 3월, 스미스 일렉트릭 비히클스는 뉴턴 플랫폼 기반의 완전 전기 무공해 차량인 '뉴턴 스텝-밴' 출시를 발표했다. 이 차량은 미국 인디애나주에 본사를 둔 유틸리마스터가 제작한 워크인 바디를 사용한다. BYD는 물류 회사인 DHL에 전기 배송 밴인 BYD T3를 공급하고 있다.

다양한 종류의 전기 트럭이 개발되거나 운용되고 있다.

5.4. 오토바이 및 스쿠터

전기 이륜차의 대규모 보급은 교통 소음과 도로 혼잡을 줄이는 데 기여할 수 있다. 하지만 이를 위해서는 기존 도시 기반 시설과 안전 규정의 개선이 필요할 수 있다.

인도의 Ather Energy는 2018년에 BLDC 모터와 리튬 이온 배터리를 탑재한 Ather 450 전기 스쿠터를 출시했다. 또한 인도의 신재생 에너지 기업인 AVERA는 2018년 말 리튬 인산철 배터리 기술을 적용한 두 가지 모델의 전기 스쿠터를 출시할 예정이라고 밝혔다.

5.5. 자전거

중국은 스쿠터형을 포함한 비보조 전기 자전거의 판매가 폭발적으로 증가하여 연간 판매량이 1998년 56,000대에서 2008년 2,100만 대 이상으로 급증했다. 2010년 초에는 약 1억 2,000만 대의 전기 자전거가 운행되는 것으로 추산되었다. 중국은 2009년에 2,220만 대의 전기 자전거를 생산하여 세계 최대의 전기 자전거 제조업체이다.

인도는 연간 2,200만 대의 자전거를 판매하는 세계 최대의 자전거 시장이다. 2024년까지 전기 이륜차는 2 규모의 시장이 될 것으로 예상되며, 300만 대 이상의 전기 이륜차가 인도에서 판매될 것으로 전망된다. 인도 정부는 국내에서 전기 자동차 채택을 장려하기 위한 계획과 인센티브를 시행하고 있으며, 향후 5년 이내에 전기 자동차 제조 허브가 되는 것을 목표로 하고 있다.

5.6. 보트

전 세계에서 여러 척의 배터리식 전기 선박이 운항하고 있으며, 일부는 사업용으로 사용된다. 전기 페리가 운행 중이거나 건설되고 있다.

6. 기술

배터리식 전기 자동차(BEV)는 차량에 탑재된 충전된 전기 자동차 배터리를 동력원으로 사용하는 자동차이다. 전기 자동차의 핵심 기술은 모터, 배터리, 그리고 모터 컨트롤러로 구성된다. 특히, 높은 에너지 밀도를 가진 리튬 이온 배터리와 같은 새로운 배터리 기술의 발전은 전기 자동차의 가속력과 주행 거리를 크게 향상시키는 데 기여했다.

전기 자동차는 일반적으로 뛰어난 가속력을 제공하며 일상적인 주행에 충분한 최고 속도를 낼 수 있다. 그러나 2015년 기준으로 생산된 배터리는 가솔린과 같은 탄소 기반 연료에 비해 에너지 밀도가 낮아, 차량 무게의 상당 부분을 배터리가 차지함에도 불구하고 1회 충전 시 주행 거리가 상대적으로 짧은 경우가 많다. 또한 배터리 재충전에도 상당한 시간이 소요될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 한 번의 충전으로 이동 가능한 거리 내에서의 운행이나 하룻밤 사이에 충전이 가능한 경우에는 매우 실용적인 교통수단이다.

전기 자동차는 일반적으로 외부 전원에 플러그를 연결하여 배터리를 충전하지만, 충전된 배터리 팩 전체를 교체하는 방식도 존재한다.

무공해 차량으로서 전기 자동차는 운행 중 배출가스를 전혀 발생시키지 않아 도시의 대기 오염을 줄이는 데 크게 기여할 잠재력을 가지고 있다. 차량 운행 과정에서의 온실가스 감축 효과는 전력을 생산하는 방식에 따라 달라질 수 있다.

전기 자동차 기술의 발전은 자동차 산업에 큰 영향을 미치고 있으며, 이는 자동차 배출가스 문제 해결, 화석 연료 의존도 감소, 그리고 유가 상승 예측 등과 맞물려 중요성이 커지고 있다. 세계 각국 정부는 전기 자동차 및 관련 부품 개발을 위해 대규모 투자를 약속하고 있다. 예를 들어, 미국은 전기 자동차 및 배터리 개발에 2.4의 연방 보조금을 약속했으며, 중국은 전기 자동차 산업 육성을 위해 15 규모의 지원을 발표했다.

포뮬러 E는 순수 전기 자동차로만 경주하는 국제 싱글 시터 챔피언십으로, 전기 자동차 기술의 발전을 촉진하고 대중의 관심을 높이는 역할을 하고 있다. 2014년 처음 시작된 이 대회는 국제 자동차 연맹(FIA)의 승인을 받았으며, 주로 도심의 임시 서킷에서 경기가 열린다.

하지만 전기 자동차 보급 확대를 위해서는 차량 자체의 가격 인하, 보조금 지급, 성능 향상 외에도 충전 인프라 구축이라는 과제가 남아있다. 충전소 설치 및 유지 비용 부담 주체, 가정용 충전기 보급에 따른 전력망 부담 문제, 충전 시간 및 용량 제한 등 충전 인프라와 관련된 정책 및 사회적 합의가 필요한 상황이다.

6.1. 모터

전기 자동차는 전통적으로 직류 직권 전동기를 사용해 왔다. 이는 브러시 직류 전동기의 한 형태이다. 그러나 최근에는 제작이 더 간단하고 마모될 수 있는 브러시가 없는 다양한 교류 전동기 유형이 주로 사용된다. 대표적으로 유도 전동기 또는 영구 자석을 사용하는 브러시리스 교류 전동기가 있다. 또한, 브러시리스 직류 전동기를 포함하여 더 간단한 구동 방식이나 더 낮은 비용을 제공하는 여러 종류의 영구 자석 전동기들도 활용된다.

전동기는 컨트롤러로부터 전력을 공급받아 내부의 자기장 상호 작용을 통해 구동축을 회전시키며, 이 힘이 최종적으로 차량의 바퀴를 움직인다.

6.2. 모터 컨트롤러

모터 컨트롤러는 가속 페달에 연결된 가변 저항기로부터 신호를 받아서, 이 신호를 사용하여 얼마나 많은 전력이 필요한지 결정한다. 이 직류 전력은 배터리 팩에 의해 공급되며, 컨트롤러는 모터에 전력을 조절하여 모터 유형에 따라 가변 펄스 폭 직류 또는 가변 주파수 가변 진폭 교류를 공급한다. 컨트롤러는 또한 차량이 감속할 때 전력을 수집하고 이 전력이 배터리를 재충전하는 회생 제동을 처리한다. 전력 및 모터 관리 외에도, 컨트롤러는 이상 감지, 기능 안전 테스트 및 고장 진단과 같은 다양한 안전 점검을 수행한다.

6.3. 배터리

배터리식 전기 자동차는 차량에 탑재된 충전된 배터리를 추진력으로 사용한다. 초기 전기 자동차에는 납축전지가 주로 사용되었으나, 기술 발전에 따라 현재는 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 배터리가 대부분의 전기 자동차에 사용된다. 리튬 이온 배터리는 0.9–2.63 MJ/L의 에너지 밀도를 가지지만, 납축전지는 0.36 MJ/L에 불과하여 리튬 이온 배터리가 2.5배에서 7.3배 더 높은 에너지 밀도를 제공한다.

하지만 가솔린(34.2 MJ/L)이나 에탄올(24 MJ/L)과 같은 기존 연료에 비해서는 에너지 밀도가 낮아, 동일한 주행 거리를 위해서는 더 많은 배터리 무게가 필요하다는 단점이 있다. 다만, 전기 모터의 높은 에너지 변환 효율 덕분에 저장된 에너지 1MJ당 내연 기관 차량보다 약 3배 더 멀리 주행할 수 있어 이러한 단점을 일부 상쇄한다. 리튬 이온 배터리 기술의 발전과 대량 생산은 가격 하락으로 이어져 전기 자동차의 보급을 촉진하는 중요한 요인이 되고 있다.

전기 자동차의 배터리는 일반적으로 여러 배터리 모듈과 셀로 구성된 배터리 팩 형태로 탑재된다. 예를 들어, 테슬라 모델 S의 배터리 팩은 최대 7,104개의 개별 셀을 포함하며, 이 셀들은 16개의 모듈로 나뉘어 구성된다. 각 셀은 사용되는 화학적 조성에 따라 약 3~4 볼트(V)의 공칭 전압을 가진다.

리튬 이온 배터리 외에도 다음과 같은 종류의 배터리가 전기 자동차에 사용될 수 있다.

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전기 자동차에 사용되는 주요 배터리 종류

종류
납축전지
니켈 수소 배터리
리튬 이온 배터리
리튬 이온 폴리머 배터리

7. 환경적 영향

배터리식 전기자동차는 운행 과정에서 배출가스를 전혀 내뿜지 않는 무공해 차량으로, 도시 지역의 대기 오염을 줄이는 데 크게 기여할 잠재력을 가지고 있다. 이는 자동차 배출 가스로 인한 도시 오염 문제를 완화하고, 화석 연료인 석유에 대한 의존도를 낮추는 데 긍정적인 영향을 미친다. 이러한 장점 때문에 전기 자동차는 기존 자동차 산업에 큰 변화를 가져올 것으로 예상되며, 세계 각국 정부는 전기 자동차 개발 및 보급을 위해 많은 투자를 하고 있다.

하지만 전기 자동차의 전체적인 환경 영향을 평가하기 위해서는 차량 운행뿐만 아니라 전력 생산 및 차량 제조 과정까지 고려해야 한다. 전기 자동차 운행에 필요한 전기를 생산하는 과정에서 온실 가스가 배출될 수 있으며, 그 양은 전기를 만드는 방식(예: 화력 발전, 원자력 발전, 재생 가능 에너지 등)에 따라 크게 달라진다. 또한, 전기 자동차의 핵심 부품인 배터리를 생산하고 폐기하는 과정에서도 환경 문제가 발생할 수 있다.

전기 자동차 보급이 확대되면서 충전소와 같은 인프라 구축과 안정적인 전력 공급 방안 마련이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 충전 인프라 확충 비용 부담 문제, 가정에서의 대용량 충전기 사용 증가에 따른 전력망 부담 문제 등에 대한 사회적 논의와 해결책 마련이 필요하다.

7.1. 발전

전기 자동차는 운행 중에는 온실 가스(GHG) 배출을 전혀 하지 않지만, 차량 운행에 필요한 전기를 생산하는 과정에서 온실 가스가 발생할 수 있다. 배터리식 전기 자동차의 온실가스 배출량을 결정하는 주요 요인은 두 가지다. 하나는 전기 자동차를 충전하는 데 사용되는 전기의 탄소 집약도(일반적으로 kWh당 배출되는 CO₂ 그램으로 표현)이고, 다른 하나는 해당 차량의 에너지 소비 효율(km/kWh)이다.

전기의 탄소 집약도는 전력 생산 방식, 즉 어떤 에너지원을 사용하여 전기를 만드는지에 따라 달라진다. 전력 생산에서 재생 에너지의 비중이 높은 국가는 탄소 집약도가 낮아지는 경향이 있다. 2013년 유럽 연합에서는 지역별로 탄소 집약도에 큰 차이가 있었지만, 대부분의 회원국에서 전기 자동차가 기존 내연기관 자동차보다 환경 친화적인 것으로 나타났다. 평균적으로 전기 자동차는 디젤 및 가솔린 엔진 차량에 비해 CO₂ 배출량을 50~60% 절감하는 효과를 보였다.

또한, 전 세계적인 탈탄소화 노력으로 인해 전기 자동차 사용에 따른 온실가스 배출량은 지속적으로 감소하고 있다. 예를 들어, 유럽 연합에서는 2009년부터 2013년까지 5년 동안 평균 전력 탄소 집약도가 17% 감소했다.

다만, 전과정 평가(LCA, Life Cycle Assessment) 관점에서 보면, 배터리 제조 및 폐기 과정에서 발생하는 온실가스를 고려해야 한다. 이를 포함할 경우, 전기 자동차의 온실가스 절감 효과는 약 10~13% 정도 낮아질 수 있다.

7.2. 차량 제조

온실 기체(GHG)는 전기 자동차를 제조할 때도 배출된다. 차량에 사용되는 리튬 이온 배터리는 배터리에 필수적인 리튬과 코발트의 추출 과정 때문에 생산에 더 많은 재료와 에너지를 필요로 한다. 이는 전기 자동차가 클수록 더 많은 이산화탄소가 배출된다는 것을 의미한다.

배터리 생산에 사용되는 리튬과 코발트를 생산하는 광산은 환경 문제를 일으키고 있다. 화학 물질 누출로 인해 광산 운영 지역으로부터 약 241.40km 하류까지 물고기가 죽는 사례가 있으며, 이 화학 물질은 광산 인근 주민들이 사용하는 수원으로 흘러 들어가 지역의 동물과 사람들에게 건강 문제를 유발하고 있다.

육상 채광과 더불어 심해 채광은 니켈, 구리, 코발트, 망간, 아연, 금, 희토류 금속과 같은 필수적인 광물을 조달하는 수단으로 고려되고 있다. 심해 채광은 대형 로봇 절단기를 사용하여 해저의 넓은 지역을 긁어내어 매장된 광물을 채취하는 방식이다. 이러한 광물은 감자 크기 정도의 다금속 단괴 형태로 존재한다. 현재 심해 채광 프로젝트는 태평양의 클라리온-클리퍼턴 구역(CCZ)과 같은 지역에서 진행 중이다.

바다에서 풍부한 광물을 찾을 수 있지만, 심해 채광의 환경적 영향에 대한 우려가 크다. 해양 서식지와 해양 생태계는 아직 충분히 연구되지 않았을 뿐만 아니라, 매우 민감하여 작은 교란조차 심각한 파괴를 초래할 수 있다. 심해 채광은 퇴적물 플룸과 해저에 갇힌 이산화탄소의 방출을 통해 수질에 영향을 미쳐 해당 지역의 해양 생물을 직접적으로 위협한다. 또한, 소음 공해는 돌고래와 고래와 같은 많은 해양 생물에게 해를 끼칠 수 있다.

8. 전기 자동차 채택의 어려움

온실 가스(GHG) 배출량을 줄이는 데 배터리식 전기자동차(BEV)가 가장 효율적인 방법 중 하나로 꼽히지만, 전 세계적인 보급 속도는 국가별로 차이를 보인다. 특히 중국과 유럽이 BEV 보급을 주도하고 있다.

다른 국가들에서 BEV 보급이 더딘 데에는 여러 이유가 있다. 구매자들이 BEV 구매를 망설이는 주된 이유로는 다음 네 가지가 주로 언급된다.

* 높은 차량 가격: 초기 구매 비용이 내연 기관 차량에 비해 비싸다.
* 충전소 부족: 충전소 접근성이 낮아 충전에 대한 불안감이 있다.
* 짧은 주행 거리: 한 번 충전으로 갈 수 있는 거리가 내연 기관 차량보다 짧다는 인식이 있다. 이는 특히 리튬 이온 전지 기술 발전에도 불구하고 여전히 해결해야 할 과제로 남아있다.
* 수리 및 부품 비용: 고장 시 수리나 부품 교체 비용에 대한 우려가 있다.

기술적인 측면에서도, 배터리의 낮은 에너지 밀도는 차량 무게의 상당 부분을 배터리가 차지하게 만들어 주행 거리를 제한하는 요인이 되며, 충전에도 상당한 시간이 소요될 수 있다. 물론 단거리 이동이나 하룻밤 사이 충전이 가능한 경우에는 실용적인 교통수단이 될 수 있다.

충전 인프라 구축 문제도 BEV 보급의 걸림돌이다. 제조사들이 자체적으로 충전소를 늘리고 있지만, 앞으로 충전 인프라를 확대하고 유지하는 비용을 누가 부담할 것인지, 각 가정에서 대용량 충전기를 사용할 경우 전력 공급 시스템에 무리가 가지는 않을지 등에 대한 사회적 합의나 구체적인 계획은 아직 부족한 상황이다.

이 외에도 BEV 기술 채택에는 각국의 정치적인 상황이나 기존 자동차 산업 구조와 같은 복합적인 요인들이 영향을 미친다. 예를 들어, 특정 국가에서는 정치적 이념에 따라 BEV에 대한 선호도가 달라지기도 하며, 기존 자동차 산업 구조가 새로운 기술 도입에 저항하는 경우도 있다.

8.1. 미국

미국에서는 정치적 신념이 배터리식 전기자동차(BEV) 구매 결정에 영향을 미친다. 공화당 지지자들은 민주당 지지자들에 비해 BEV 구매 의향이 낮은 경향을 보인다.

이러한 차이는 환경주의와 기후 변화 문제에 대한 양당의 서로 다른 시각에서 비롯된 것으로 분석된다. 역사적으로 공화당은 환경 및 기후 변화 관련 정책에 대해 소극적이거나 부정적인 태도를 보여온 반면, 민주당은 관련 정책 추진에 적극적인 모습을 보여왔다. 이러한 입장 차이는 2024년 양당의 정강 정책에서도 뚜렷하게 나타난다. 민주당은 "기후 변화에 맞서 싸우고, 오염을 줄이며, 청정 에너지 붐을 일으키겠다"고 선언했다. 반면 공화당은 "미국 에너지를 해방해야 한다"며, "드릴, 베이비, 드릴(drill, baby, drill)"이라는 구호를 내세워 화석 연료 시추 확대와 에너지 독립 달성을 강조했다. 한편, 미국의 비영리 환경 단체인 야생 협회(The Wilderness Society)는 석유 및 가스 시추가 환경 오염, 기후 변화 가속화, 야생 동물 서식지 파괴 등 심각한 문제를 야기한다고 지적한다.

이처럼 뚜렷한 정치적 입장 차이는 각 정당 지지자들이 BEV와 관련 정책에 대해 보이는 지지 또는 반대 태도에도 영향을 미치고 있다. 특히 최근 몇 년간 도널드 트럼프 전 대통령을 중심으로 한 우익 포퓰리즘의 부상은 공화당 내에서 기후 변화의 심각성이나 관련 규제 정책에 대한 회의적인 시각을 더욱 강화하는 요인이 되었다. 트럼프와 그의 지지 세력인 이른바 "MAGA 공화당원"들은 기후 변화 대응 노력과 화석 연료 산업 규제에 대해 비판적인 목소리를 높여왔다.

하지만 공화당 내에서도 일부 인사들과 보수주의자들은 이러한 태도 변화를 모색하며, 청정 에너지 기술 도입을 위한 초당적 협력의 가능성을 열어두고 있다.

8.2. 일본

일본은 제2차 세계 대전 이후 전기 자동차 기술 개발을 시작했지만, 일반 대중의 경계심과 일본 자동차 산업의 독특한 구조로 인해 기술 보급에 대한 국내적 저항이 존재한다. 일본 시민들의 우려는 전 세계 대중의 우려(예: 인프라, 가격, 전력망 용량, 성능 등)와 유사하다. 그러나 자동차 제조업체에게 배터리식 전기자동차(BEV) 기술의 보급은 현재 자동차 생산 인프라에 큰 변화를 요구한다.

일본의 주요 자동차 회사(예: 도요타, 혼다, 닛산)는 系列^일본어(系列, 계열) 시스템으로 알려진 독특한 구조를 가지고 있다. 이는 전체 생산 공정의 효율성을 높이기 위해 특정 부품 생산을 더 작은 독립 회사에 하청하는 방식이다. 이 시스템은 수백 개의 소규모 일본 제조업체를 포함하는 수직적이고 계층적인 분업 구조를 만들어냈다. 현재 전기차 생산에 주로 사용되는 보다 수평적인 글로벌 협력 기반 모델은, 기존 계열 시스템에 속한 소규모 일본 회사들에게 불리하게 작용할 수 있다.

도요타의 회장인 토요다 아키오는 일본이 전기차 및 배터리식 전기자동차 기술로 전환하는 과정에서 약 550만 개의 일자리가 위협받을 수 있다고 언급했다. 또한, 일본 자동차 산업의 이익을 대변하는 일본 자동차 공업회(JAMA)와 같은 단체들도 배터리식 전기자동차로의 전환이 자동차 산업의 많은 일자리를 위협한다고 주장해 왔다.