▲ 닛산 전기자동차 LEAF (출처: http://www.nissanusa.com)
폭스바겐 사태가 전 세계로 확산되면서 자동차 업계가 긴장하고 지켜보고 있는데요. 우리나라도 12만여대가 리콜 대상에 오르면서 본격적으로 영향을 받기 시작했습니다. ‘디젤 차량’에 대한 소비자 수요도 감소했는데요. 디젤 차량이 이제 소비자들의 선택 대상에서 뒤로 밀려난 반면, 새롭게 관심을 받고 있는 차가 있습니다. 바로 배기가스를 배출하지 않는 '전기자동차'입니다.
전기자동차는 말 그대로 전기를 에너지로 충전해 주행하는 자동차로, 이산화탄소를 전혀 배출하지 않아 친환경 자동차로 알려져 있죠. 이에 따라 ‘전기자동차’에 들어가는 배터리에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 따라서 오늘은 차세대 꿈의 에너지가 될 전기자동차 배터리에 대해 알아보도록 하겠습니다.
#전기자동차 종류
▲ 토요타 하이브리드 자동차(출처: http://home.primus.ca/)
전기자동차 배터리에 대해 알아보기 전에 먼저 전기자동차 종류에 대해서 이해할 필요가 있는데요. 전기자동차는 ‘전기자동차(EV. Electrical Vehicle)’, ‘하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electrical Vehicle)’, ‘플러그인 하이브리드 자동차(PHEV, Plug-In Hybrid Electrical Vehicle)’ 등 3가지로 나눌 수 있습니다.
EV는 엔진 없이 배터리만으로 자동차를 구동시키기 때문에 배기가스가 전혀 배출되지 않습니다. HEV는 엔진과 전기모터를 함께 사용해 연비를 높인 자동차로, 전기와 화석연료를 동시에 사용합니다. PHEV는 엔진과 전기모터를 동시에 사용하는데, 단거리는 전기로만 그리고 장거리는 엔진을 사용하는데요, HEV와 EV의 특성 모두를 가지고 있는 자동차라고 할 수 있습니다.
전기자동차 #배터리 시스템(BMS)
▲ 전기자동차 배터리 시스템(출처: http://gm-volt.com)
전기자동차 배터리는 ‘셀(Cell)’, ‘모듈(Module)’, ‘팩(Pack)’으로 나눌 수 있는데요. 셀은 리튬 이온 배터리의 기본 단위로, 여러 개의 ‘셀’은 열과 진동 등 외부충격으로부터 보호받을 수 있도록 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣어지게 되는데, 이렇게 조립된 셀을 ‘모듈’이라고 합니다. 모듈을 여러 개 모아 냉각 시스템과 각종 보호 시스템을 넣어 완성한 ‘배터리 시스템(BMS, Battery Management Systme)’이 바로 ‘팩’입니다.
차세대 에너지, #리튬 전지
전기를 충전해 달리는 '전기자동차'의 핵심은 '배터리'에 달려있다고 해도 과언이 아닌데요. 배터리 용량과 출력에 따라 주행가능거리와 성능이 달라지기 때문입니다. 따라서 전기자동차에 대한 관심이 높아지는 만큼, 전기자동차에 들어가는 배터리에 대한 중요성이 커지고 있는데요. 충전하는 시간은 줄이고, 주행거리는 늘릴 수 있는 배터리 개발이 지속적으로 이뤄지고 있습니다. 전기자동차 배터리에 사용되는 '리튬 전지'는 전해질을 무엇을 쓰느냐에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지로 구분되는데요. 최근에는 공기를 이용한 리튬 에어 배터리까지, 다양한 기술이 나오고 있습니다.
1. 리튬-이온(Li-Ion) 전지
▲ 리튬 이온 배터리 구조(출처: http://www.math.illinois.edu)
리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)는 2차 전지의 일종으로, 방전과 충전을 반복해서 여러 번 사용할 수 있습니다. 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 데요, 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동해 제자리를 찾게 됩니다. 하지만 에너지 밀도(충전량)를 높이기 위해서는 양극에 저장되는 리튬의 양을 증가시켜야 한다는 문제점을 지니고 있습니다. 이에 따라 리튬 이온 전지의 문제점을 보완할 수 있는 다양한 에너지들이 개발되고 있습니다.
2. 리튬-폴리머 (Li-Polymer) 배터리
▲ 리튬 폴리머 배터리(출처: http://www.lipolbattery.com)
리튬 폴리머 배터리는 리튬 이온보다 얇고 폭발 위험이 적은 충전지로, 리튬 이온보다 더 안정적이면서도 가볍고 다양한 형상으로 제작이 가능합니다. 여기에 폭발 위험성, 전해질 누액 현상, 자연 방전, 메모리 효과(완전히 방전되지 않은 상태에서 충전을 반복하면 최대 용량이 줄어드는 현상)가 없어 점차 많이 사용되고 있는 추세입니다.
올해 초 태양 에너지로 날으는 비행기 ‘솔라임펄스2’는 단위셀의 에너지 밀도가 260Wh/kg에 달하는 리튬 폴리머 배터리를 장착하고 하늘을 날았는데요. 100% 태양 에너지를 이용해 에너지를 충전하는 특성상, 무게를 줄이고 안전성을 확보해 주는데 접합한 배터리임을 증명한 셈입니다.
3. 리튬-에어(Li-Air) 배터리
▲ 공기를 이용한 리튬 에어 배터리 작동 원리(출처: http://www.toyota-global.com)
리튬 에어 배터리는 기존 리튬 이온 전지 보다 에너지 밀도가 높아 차세대 대용량 에너지 저장 시스템으로 주목 받고 있는데요. 특히 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 전기자동차 분야에서 크게 관심 갖고 있습니다. 리튬 에어 배터리는 음극으로 순수한 금속 리튬을 사용하고 양극으로 산소가 침투할 수 있는 다공성의 구조체를 사용하는데요. 기본적으로 에너지 용량은 리튬 이온 전지에 비해 압도적으로 높아 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 새로운 대안으로 주목 받고 있지요.
지난 3월, 미국의 연구진이 탄소 형태를 조작해 효율을 향상시킨 배터리 기술을 개발했다고 밝혔는데요. 바로 ‘3DOm 탄소’로 불리는 물질을 가공해 배터리의 리튬과 산소의 화학반응을 향상시킨 ‘리튬 에어 배터리(Lithium-Air Batter)’입니다. 리튬 에어 배터리는 기존 리튬 이온 배터리의 크기와 비용을 줄여 배터리 효율을 높여, 리튬 이온 전지 보다 5배~10배 이상의 에너지 밀도를 확보할 수 있다고 합니다.
물질 |
리튬-이온 전지 |
리튬-에어 전지 |
구조 |
closed system |
open system |
에너지 밀도 |
200 Wh/kg |
3,000 Wh/kg 이상 |
음극 (Anode) |
LiC6 |
순수 Li 금속 |
양극 (Cathode) |
복잡한 구조의 Li-oxide 물질 |
Porous한 구조체 (산소의 침투) |
양극에서의 촉매 (충전에 필요) |
필요 없음 |
필요 (Li과 산소의 환원과정) |
부피 및 무게 |
양극이 무겁다 |
양극이 가볍다 |
▲ 리튬 이온 전지와 리튬 에어 전지 비교표(출처: 국민대 최희만 2010년도 학술연구과제 보고서)
리튬 이온 대체하는 #슈퍼커패시터의 등장!
'슈퍼커패시터(Supercapacitor)'는 고성능 전기저장 장치 또는 대용량 축전지 등으로 불리며 전기자동차의 배터리를 보완하거나 배터리를 대체해 사용할 수 있는 장치인데요. 리튬 이온의 화학적 반응을 통해 방전•충전하는 2차 전지와는 달리, 탄소 소재의 활성탄에 붙는 전자의 물리적 흡•탈착을 이용해 방전•충전하는 시스템입니다.
▲ 슈퍼커패시터의 기본 구조(출처: MCNET, 한국과학기술정보연구원)
2차 전지에 비해 에너지 밀도는 적지만 리튬 전지의 5배에 달하는 순간적인 고출력을 낼 수 있다는 것이 특징입니다. 따라서 2차 전지를 보완하는 장치로 하이브리드 자동차에 설치됩니다. 시동을 걸거나 급가속 등 순간적으로 고출력을 필요로 할 때 슈퍼커패시터가 작동하게 되는 원리입니다.
지난 2월 국내 기초과학 연구원(IBS) 나노구조물리연구단은 탄소나노튜브와 그래핀을 이용해 전기를 대량 저장할 수 있는 초고용량 전기저장장치를 개발했다고 밝혔는데요. 슈퍼커패시터는 전기자동차나 수소연료자동차 등 미래자동차 산업 분야의 핵심 기술로 손꼽히고 있어, 이와 같은 기술 개발 성공은 의미가 크다고 할 수 있습니다.
▲ 슈퍼커패시터 배터리가 장착된 토요타 TS030 하리브리드 자동차(출처: http://www.greenoptimistic.com)
슈퍼커패시터는 전기자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지자동차 등의 차세대 친환경 자동차의 에너지를 저장하는 장치로 사용될 수 있는데요. 현재 선진국에서는 효율적인 에너지 사용을 위해 국가차원에서 지원하고 있습니다.
리튬 이온 배터리, #친환경 자동차 시대 연다!
▲ (左) 탄소나노튜브(출처: www.itworld.co.kr (右) 그래핀(출처: KIST)
디젤 자동차의 배출가스 조작 파문으로 적잖은 파장을 가져왔지만, 이로 인해 친환경 자동차에 대한 관심은 더욱 높아졌습니다. 특히 무공해 자동차로 알려진 '전기자동차'에 대한 관심이 크게 높아졌는데요. 세계 자동차 업체들도 전기자동차와 하이브리드 자동차를 새롭게 출시할 계획을 발표하는 등 발빠르게 움지이고 있습니다.
특히 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 고성능 에너지 저장장치인 '슈퍼커패시터'는 미래 신소재 '탄소나노튜브'와 '그래핀'을 이용해 개발되고 있습니다. 한화케미칼도 지난해부터 탄소나노튜브와 그래핀을 활용한 응용소재 개발에 박차를 가하고 있는데요. 특히 지난 2008년 탄소나노튜브(CNT) 대량생산 기술을 확보해 다양한 응용 제품 개발하고 있습니다. 또한 CNT 분야의 원료/제품 수직 계열화를 통해 한화케미칼의 CNT는 우수한 분산성과 안정성으로 세계 최고 수준의 CNT로 평가받으며 다양하게 개발 활용되고 있습니다. 친환경 전기자동차와 함께 한화케미칼의 기술이 세계 시장을 달리는 날이 머지 않은 것 같네요.
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