최근 자동차용 배터리 관련 연구개발 현황

1. 한국

성균관대학교는 학내 물리학과 이영희 교수팀이 휴대전화 등 휴대용 초소형 전자기기에 활용할 수 있는 고성능 마이크로 슈퍼커패시터(Micro-Supercapacitor) 기술을 개발하는 데 성공했다.

전자기기를 작게 만들려면 전기 저장장치의 소형화가 필수적이다. 고체형 마이크로전지(리튬이온 등 2차전지)가 상용화되어 있지만 충전 속도가 느리고, 반복 충전 시 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 이에 초소형 고성능 전기 저장장치인 마이크로 슈퍼커패시터가 대안으로 기대를 모아 왔으나 높은 출력에 비해 에너지 밀도가 떨어져 상용화에 걸림돌이 돼 왔다.

연구진은 기존 기술의 한계를 뛰어넘어 출력 성능이 매우 높으면서 에너지 밀도는 기존 리튬이온전지를 능가하는 고성능 마이크로 슈퍼커패시터를 만드는 데 성공해, 기존 마이크로전지를 대체할 초소형 전기 저장장치의 상용화에 대한 기대감을 높였다.

이번 연구 결과는 미국화학회가 발간하는 에너지과학 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 14.385)에 2월 20일 온라인 게재됐다. 연구진은 나뭇잎 줄기의 구조에서 착안해, 이온 이동 경로를 최대한 짧게 만들어 비표면적이 높은 그래핀 표면에 이온을 최대한 흡착시키는 구조를 만들었다. 고체 전해질에 나노선(Nano Wire)을 섞고 이를 산화흑연 층간에 삽입해 전극을 형성한 후, 나노선을 녹여내 이온이 잘 통과하는 이동 경로를 인위적으로 만들어 에너지밀도를 증가시키고 높은 출력밀도를 유지했다.

2. 일본

일본은 충전이 필요 없는 리튬공기 배터리 개발에 성공했다. 일본 과학기술연구소에 따르면 충전이나 교환 대신 사용이 끝난 전지의 전극을 갈아 끼우면 재사용이 가능하다. IBM은 이론적으로 리튬이온 배터리보다 1000배의 에너지를 저장할 수 있는 리튬공기 배터리를 개발하고 있다고 한다.

일본 산업기술종합연구소(Advanced Industrial Science and Technology, AIST) 에너지기술연구 부문 에너지계면기술연구그룹에서는 새로운 구조의 대용량 리튬공기 배터리를 개발했다. 본 연구에서는 음극(금속리튬) 측에 유기 전해액을 이용하고, 정극(공기) 측에는 수성 전해액을 이용해 양자를 고체 전해질로 나누어 양 전해액의 혼합을 방지한다.

고체 전해질은 리튬이온만을 통과시키기 때문에 전지반응은 고장 없이 진행되고, 정극의 반응 생성물은 수용성이며 고체 물질을 생성하지 않는다. 이 기술이 실용화될 경우 EV의 성능은 크게 향상될 것으로 전망된다. 에너지 집적도 현재의 리튬이온 배터리보다 6~7배 높기 때문에 EV의 항속거리가 늘어나는 것은 물론, 충전에 대한 스트레스에서 해방될 수 있다.

3. 중국

중국 장시(江西)사범대학 수석 교수이며 장시(江西) 센차이(先材) 나노 섬유 과학기술유한회사 부이사장인 허우하오칭(候豪情) 박사가 주도하는 연구개발팀은 장기간의 연구를 통해 최근 폴리이미드(Polyimide) 나노 섬유 배터리 격막(Battery Septum) 개발에 성공했다.

이 연구개발 성과는 독자적인 지적재산권을 보유한 첨단 과학기술 재료 연구개발 성과로서, 이번 연구개발 성과의 달성은 중국의 전기자동차용 배터리 및 배터리 팩(Battery Pack) 성능을 대폭 향상시키는 측면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다. 파워 배터리 팩(Power Battery Pack)은 전기자동차의 핵심 부품이며, 전통 자동차의 엔진과 동일하다.

하지만 파워 배터리 팩 관련 기술은 현재 전기자동차 산업 발전의 보틀넥이 되고 있다. 폴리이미드 나노 섬유 배터리 격막은 고온 및 저온에 견디는 특성, 화학 안정성, 내구성 및 높은 다공성 등 우수한 특성을 보유하고 있다. 때문에 기존의 전기자동차 배터리 혹은 배터리 팩의 단점인 안전 성능이 떨어지고, 충전 속도가 느리며, 사용 온도 범위가 작고, 사용 수명이 짧은 등의 문제를 해결할 수 있다.

폴리이미드 나노 섬유 배터리 격막은 전기자동차로 하여금 더욱 안전하고, 안정적이며, 편안하게 운전할 수 있도록 해 준다. 중국 국가 권위 검출 기관이 이번에 개발된 폴리이미드 나노 섬유 배터리 격막을 이용해 제조한 폴리이미드 격막 파워 배터리에 대해 검출을 실행한 결과, 폴리이미드 격막 파워 배터리는 핵심 지표에서 다음과 같은 4가지 뚜렷한 우세를 보유하고 있는 것으로 나타났다.

① 배터리의 파워 밀도가 높기 때문에 배터리의 충전 및 방전 배율(Magnification)을 4배 이상 향상시킬 수 있다.

② 사용 수명이 길고 순환 수명을 700% 이상 향상시킬 수 있다.

③ 발열량이 낮고 배터리 대 전류 방전 시의 온도를 낮출 수 있다.

④ 안전성이 이상적이다. 폴리이미드 격막은 530℃ 이상의 고온에 견딜 수 있다. 자동차가 심하게 충돌해 배터리 격막이 천공(Perforation)되거나 장기간 사용하는 과정에서 수지상정(Dendrite) 격막 관통이 발생할 때, 배터리의 마이크로 단락(Micro Short Circuit) 혹은 작은 면적의 단락이 발생시키는 국지적인 과열은 폴리이미드 격막을 융해시켜 천공 면적을 지속적으로 확대시키지 않는다. 단락 면적이 지속적으로 확대돼 온도 조절을 제어하지 못하기 때문에 배터리가 폭발하고 화재가 발생하는 상황은 발생시키지 않는다.

현재 폴리이미드 나노 섬유 격막 기술에 대한 실험실 단계 연구는 이미 완성된 상황이며, 관련 연구개발 성과를 상용화해 1단계로 향후 2년 내에 4천만㎡ 규모에 달하는 생산 능력을 형성할 수 있게 될 것으로 전망된다.

4. MIT

MIT공대는 전기 자동차 배터리 가격을 반으로 낮출 수 있는 액형 배터리를 만드는 데 성공했다. MIT의 연구팀은 “전해물질을 교체하는 배터리 재발명” 연구를 시작했고, 가솔린을 펌핑하는 것과 같이 빠르게 충전되고 현재 전기자동차 배터리 가격을 반으로 낮출 수 있는 액형 배터리를 만드는 것에 성공했다.

신형 배터리는 부유성 양·음극 전자들을 잡아 두는 반고체와 액체 전해 물질을 포함한다. 만약 전해질이 다 소모되면 배터리에서 빼고 새로운 액체로 충전한다. MIT 팀은 이것을 가솔린을 펌핑하는 방식과 비교하며, 충전 시간도 별반 차이가 없을 것이라고 말했다.

이러한 종류의 액형 배터리는 완전히 새로운 기술은 아니다. 하지만 선행 연구에서는 이 배터리를 사용할 수 있게 해 주는 고밀도 에너지를 갖는 물질을 찾지 못했다. 배터리를 유지시키는 데 필요한 에너지밀도를 낮춤으로써 MIT팀은 이전의 액형 배터리보다 10배 정도 에너지밀도를 높이는 물질을 찾을 수 있었다.

MIT는 전기자동차, 대형 에너지 저장 시설뿐만 아니라 소형 어플리케이션에도 적용할 수 있을 정도로 구조를 작게 만들었다. 연구자들은 기존 리튬이온 배터리의 양·음극 전자들과 액형 배터리의 부유성 아이디어를 결합했다. 배터리 안의 양·음극 전자들을 부유시켜 배터리를 재충전할 필요 없이 에너지 생산 시스템을 대체할 수 있도록 했다. 이러한 개선으로 저비용 전기자동차가 가솔린 자동차들보다 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 전망된다.

배터리 기술 현황

현재 기술로는 전기차 배터리 용량이 25kWh인 경우, 1번 충전으로 평균 160km 정도의 거리를 달릴 수 있는 것으로 알려져 있다. 지금까지 1번 충전으로 가장 먼 거리를 달릴 수 있는 전기차를 만드는 회사는 테슬라다. 60kWh 테슬라 배터리팩의 경우, 시속 90km/h로 정속주행 시 최대 400km의 거리를 달릴 수 있다.

비교적 최근에 나온 폭스바겐의 전기차 E-골프를 보면, 배터리팩의 무게는 318kg이고, 배터리 용량은 24.2kWh, 부피는 약 200ℓ 수준이며, 200km 이하의 주행거리 능력을 지닌다. 테슬라 모델 S의 60kWh, 500kg 배터리팩 무게보단 덜 나가지만 그만큼 용량이 적어 주행거리가 짧다. 보쉬가 5년 후에 내놓을 신형 배터리는 무게 225kg에 용량은 50kWh, 부피는 120ℓ 정도가 될 것이라 전망하고 있다.

배터리 기술 경쟁

박종천 객원전문기자 (레이딕스텍 부사장)