○ 일본 언론은 경량화를 위해 주로 알루미늄 합금을 재료로 사용하고 있는 배터리 케이스를 철로 만들고자 하는 사례들을 소개(11.29.)
- 배터리 케이스는 전기차(EV)에 동력을 제공하는 배터리를 차량 내•외부에서 발생하는 충격이나 열, 진동 등으로부터 보호하는 역할을 수행함. 때문에 외부 충격에 강하고 다양한 도로 주행 환경에서 배터리를 보호할 수 있어야 함
- 문제는 무게임. 항속거리 400km급 EV의 경우, 배터리 무게만 400~450kg를 차지함. 현재 기술로는 배터리 경량화에는 한계가 있어, 많은 자동차 제조사들이 배터리 케이스를 경량화하기 위해 노력하고 있음
→ 배터리 케이스 소재로 다양한 소재들이 검토되고 있으나, 경량화 측면에서 우위를 갖는 알루미늄이 주로 사용되고 있음
- 하지만, 일본 언론은 알루미늄의 높은 단가 문제로 인해 가격경쟁력이 우수한 철을 이용해 배터리 케이스를 제작하는 방식이 검토되고 있다고 보도하면서, 대표적으로 고베제강과 토요타, 스바루의 사례를 소개하였음
○ 고베제강은 알루미늄 합금만으로 케이스를 제조하는 기존 방식과 달리, 알루미늄 합금과 강재, 수지를 모두 사용하는 '멀티 머테리얼' 방식을 추진하고 있음
- 고베제강은 '20.1월 일본 주요 자동차 기술 전시회인 '오토모티브 월드 2020'에서 멀티 머테리얼 방식을 사용한 배터리 케이스 프로토타입을 공개하였음
• 동 배터리 케이스는 테슬라 모델 S에 사용된 배터리 케이스와 같은 규격과 강도를 가지되, 무게가 14% 가량 더 가벼움
• 모델 S에 채용된 배터리 케이스는 알루미늄 합금만으로 제조되었으나, 고베제강은 알루미늄 합금과 고장력 강판, 수지를 함께 사용하여 경량화를 추구
* 그림. 고베제강이 개발한 멀티 머테리얼 방식의 배터리 케이스 프로토타입 예시
* 그림. 고베제강이 개발한 멀티 머테리얼 배터리 케이스 구조 및 무게
- 구체적으로, 배터리 케이스 프레임은 알루미늄 합금으로 만들되, 케이스 바닥 부분은 외부 충격에 강한 980MPa급 고장력 강판을, 외부 충격을 분산시켜주는 내부 기둥은 알루미늄 합금과 고장력 강판을 함께 채용하였음
- 일본경제신문에 따르면 경량화할 수 있었던 주요 요인은 케이스 바닥 부분에 채용한 980MPa급 고장력 강판임
• 모델 S의 배터리 케이스의 경우, 하부 충격으로부터 배터리를 보호하기 위해 바닥 부분을 두껍게 하였기 때문에 중량이 증가하였음
• 반면, 고베제강은 보다 얇은 두께로도 동일한 보호 성능을 가지는 고장력 강판을 도입해 알루미늄 합금만으로 배터리 케이스를 제조할 때보다 중량을 줄일 수 있었다고 평가
- 고베제강은 멀티 머테리얼 방식이 서로 다른 소재를 접합하기 때문에 접합 강도 측면에서 약점이 있을 것이라는 우려와는 달리, 자체 검증 실험 결과 우수한 접합 강도를 보이면서 우수한 강도와 내수성, 그리고 내습성을 보였다고 설명
• 향후 멀티 머테리얼 방식을 더욱 발전시켜 가격 경쟁력과 양산 가능성을 향상시킬 방침
○ 토요타와 스바루가 공동으로 개발한 EV 플랫폼은 차체에 배터리 케이스를 포함시켜 차량 무게중심 문제 해결 및 배터리 보호 능력 강화를 도모하였음
- 토요타와 스바루는 양사가 공동 개발한 플랫폼을 이용한 SUV형 EV인 bZ4X(토요타)와 솔테라(스바루)를 출시하였음. 양사는 중•대형급 EV 플랫폼을 공동 개발하되 각사의 특성을 살리는 방향으로 개발을 진행하였으며, 그 결과 토요타는 'e-TNGA Platform'을, 스바루는 'e-Subaru Global Platform'을 개발해 각각 bZ4X와 솔테라에 적용하였음
- e-TNGA Platform과 e-Subaru Global Platform은 차체에 배터리 케이스를 별도로 장착하던 기존 EV 제조 방식과는 달리, 차체에 배터리팩을 아예 내장하는 형태로 플랫폼을 개발하였음
• 양사는 배터리 케이스를 EV 플랫폼 내부에 일체화시키는 것을 통해 차량의 무게중심을 낮추어 승차감을 향상시켰으며, 배터리가 차체 안에서 보호받기 때문에 기존 케이스 방식보다 더욱 안전하게 배터리를 보호할 수 있다고 설명
* 그림. 'e-Subaru Global Platform' 차체에 포함된 배터리 케이스
- 배터리 케이스를 차체와 일체화시킨다는 구상을 공개적으로 제시한 것은 테슬라로, '20.9월 배터리데이 행사를 통해 차체와 배터리 케이스를 일체화시킬 경우 보다 많은 배터리를 안정적으로 탑재할 수 있다는 점을 제시하였음
• 테슬라는 비행기 날개 내부에 연료 탱크를 장착하는 방식에서 날개 자체에 연료를 보관하면서 더 많은 연료를 탑재할 수 있게 된 것처럼, 배터리 또한 차체에 직접 장착함으로써 더 많은 셀을 EV에 탑재할 수 있게 될 것이라고 설명
* 그림. 테슬라가 배터리데이에서 제시한 차체 일체형 배터리 케이스 예시
- 토요타와 스바루가 개발한 배터리 케이스 내장형 EV 플랫폼은 이와 같은 개념을 발전시킨 것으로 보이며, 양사는 추가적인 검증 실험을 진행해 '22년 bZ4X와 솔테라를 정식 출시할 계획
○ 자동차의 패러다임이 EV로 전환됨에 따라, 경량화에 대한 요구가 커지고 있으며, 글로벌 주요 철강사들 또한 관련 기술 개발을 서두르고 있음
- 현 시점에서는 알루미늄 합금이 배터리 케이스 소재로 주로 사용되고 있으나, 철강사들이 관련 기술 개발을 적극적으로 추진하고 있어, 주요 철강사들의 기술개발 동향 및 글로벌 주요 자동차사들과의 협력 등에 대해 지속적인 모니터링을 실시할 필요가 있음