電氣車를 充電하고 있는 모습. 위키미디어 提供.
"배터리 單價는 낮추고 走行距離를 늘려라."
電氣車 需要와 關心이 持續的으로 增加했지만 內燃機關車 對備 비싼 價格과 充電 인프라 不足은 如前히 解決해야할 課題로 남아있다. 特히 氣溫이 떨어지는 겨울철엔 배터리 性能도 함께 低下돼 電氣車 購買를 망설이게 한다.
國際學術誌 '네이처'는 科學者들이 전기차 배터리의 性能을 높이고 走行距離를 늘리는 同時에 車輛 價格의 相當部分을 차지하는 배터리 單價를 낮추는 硏究를 持續하고 있다고 最近 集中 紹介했다. 電氣車 人氣가 補助金 推移에 따라 오락가락하지만 배터리를 改善하는 技術로 短點을 補完하면 全世界 各國의 炭素中立 目標를 實現하는 데 큰 役割을 할 것으로 보고 있기 때문이다.
現在 英國, 캐나다, 유럽聯合(EU) 等을 包含한 12개국이 炭素中立 目標를 實現하기 위해 2035年까지 販賣되는 新車를 全部 電氣車로 轉換하겠다고 宣言했다. 國際에너지機構에 따르면 2021年 1650萬臺인 電氣車가 2030年에는 3億5000萬臺로 增加할 展望이다. 2050年에는 電氣車 배터리 에너지 需要는 4TWh(테라와트시)에 이를 것으로 豫測된다. 電氣車 大衆化를 實現하려면 배터리 電力 및 經濟性, 安全性 等에 對한 最適化 作業이 必須다.
● 리튬이온배터리 代替할 次世代 배터리
리튬이온배터리는 電氣車에 가장 많이 쓰이지만 充電 時間이 길고 배터리 容量도 限界가 있다. 리튬이라는 制限된 資源으로 生産 費用이 비싸고 과열이나 過充電으로 인한 火災 및 爆發 危險도 있다.
리튬이온배터리 兩極財로는 리튬, 니켈, 망간 또는 리튬, 코발트 酸化物이 主로 使用된다. 最近에는 燐酸鐵(LFP)도 주목받고 있다. 美國 電氣車 企業 테슬라는 2021年 中間級 배터리를 LFP로 바꾸기로 했다. 비싼 코발트 使用은 줄이고 니켈 使用을 늘린 배터리도 生産된다. 니켈 含有量이 80%에 達하는 배터리도 商用化했다. 科學者들은 니켈이 90% 包含된 배터리 開發을 위한 硏究를 持續中이다.
리튬이온배터리 陰極材人 黑鉛을 실리콘으로 交替하는 硏究도 進行 中이다. 실리콘은 黑鉛보다 10倍 많은 리튬 原子를 貯藏할 수 있다. 問題는 실리콘은 충방展示 黑鉛에 비해 3倍 假量 膨脹·收縮이 發生한다는 點이다. 이는 배터리에 負擔을 주며 壽命을 短縮할 수 있다는 限界가 있어 이를 克服해야 하는 狀況이다.
리튬이온배터리의 液體 電解質을 固體로 轉換하는 全固體 배터리 硏究도 持續된다. 全固體 電池는 液體 電解質 배터리에 비해 耐熱性과 耐久性이 뛰어나고 爆發이나 火災 危險이 적다. 구조가 單純하며 理論上 낮은 溫度와 높은 溫度 모두에서 잘 作動한다. 獨逸 뮌헨 工大는 이미 세라믹 電解質을 利用하는 全固體 배터리 製造 會社를 設立했다. 製造가 相對的으로 容易하고 龜裂에 덜 脆弱한 長點을 極大化하기 위한 硏究가 進行 中이다.
리튬空氣 배터리도 리튬이온배터리를 代替할 有望한 배터리 技術로 꼽힌다. 陽極에서 리튬 酸化, 陰極에서 酸素 還元이 일어나는 固體 배터리로 많은 에너지를 保有할 수 있다는 利點이 있다. 美國 아르곤國立硏究所가 銅錢 크기의 리튬空氣 배터리를 實驗한 結果 液體 電解質을 使用한 배터리보다 에너지 密度가 높고 배터리 壽命은 길었다.
● 電氣車 價格 내리기 위한 經濟性 硏究
電氣車 製作 費用에 焦點을 둔 硏究들도 進行 中이다. 稀少한 資源이 아니면서 採掘 時 環境 被害가 크지 않은 金屬을 利用한 배터리를 만들기 위한 試圖다. 美國 배터리會社 퀀텀스케이프는 리튬空氣, LFP 等과 같은 代替 陰極을 硏究하고 있다.
리튬을 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 亞鉛 等으로 代替하려는 硏究도 進行되고 있다. 값비싼 리튬보다 相對的으로 低廉한 物質을 活用하려는 意圖다. 이 中 소듐(나트륨)에 對한 硏究가 가장 活潑하다. 소듐은 週期律表에서 리튬 바로 아래에 位置해 리튬보다 좀 더 무겁지만 化學的 性質은 비슷하다. 소듐은 리튬보다 1000倍 豐富한 資源이기 때문에 價格上 利點이 크다.
中國은 소듐이온배터리 工場을 建設한 데다 소듐이온배터리로 驅動하는 小型 저가 自動車도 公開했다. 自動車의 價格은 約 1萬 달러(藥 1330萬원)로 策定될 豫定이다. 單 배터리의 무게 때문에 배터리의 에너지 密度를 높이는 데 限界가 있다는 點은 科學者들이 풀어야 할 宿題다.
네이처는 "배터리 原資材 價格은 줄이면서 배터리 性能을 높이는 科學者들의 硏究가 전기차 價格을 安定化하고 親環境 交通手段의 大衆化 및 炭素 없는 社會를 實現하는 架橋役割을 하고 있다"고 强調했다.
