ISSUE


배터리 기술은 어디까지 발전했을까?

주행가능거리, 비용, 환경을 개선하기 위한 배터리 기술 동향을 살폈다

2021.06.10

 

대부분의 예측이 전기모터로 달리는 시대가 도래했음을 보여주고 있다. 그런 가운데 R&D 공동체는 플러그인 하이브리드 자동차의 시장 점유율이 전 세계 승용차 판매의 약 4%에 그쳐 그 원인을 해결하기 위해 왕성하게 활동 중이다. 그들이 해결하고 있는 문제에는 충분치 않은 주행가능거리와 원자재, 무거운 무게와 높은 비용 같은 것들이 있다. 배터리, 연료전지, 모터 기술에서 몇 가지 주요 발전 사항을 살펴보자.

 

 

배터리 기술

오늘날의 리튬이온 배터리는 대부분 액체나 젤 전해질을 가진 리튬·니켈·망간·산화코발트 화학물질을 사용한다. 그러나 이 물질은 얼거나 불이 붙는다. 배터리가 너무 빨리 충전되면 리튬 덴드라이트 결정이 형성돼 합선을 일으키기도 한다. 코발트는 희귀하고 비싸며 윤리적인 이유로 공급이 어려워지고 있다. 다행히 코발트를 뺀 리튬 철인산염 화합물은 과열과 폭발 위험이 적다. 리튬망간 산화물은 안정성과 안전성이 더 좋다. 흑연 전극을 교체하면 대부분의 배터리는 에너지 밀도를 높일 수 있다. 테슬라는 현재 중량에너지 밀도를 지금의 254Wh/kg에서 400Wh/kg으로 높일 수 있는 실리콘 나노와이어를 채택한 새로운 전극 설계를 시사했다.

 

세라믹 또는 기타 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 일반적으로 화재 위험이 없다. 또한 에너지 밀도가 높으며 초고속 충전도 지원한다. 전고체 배터리 개발업체 퀀텀스케이프의 설계는 배터리 무게를 줄이기 위해 음극재 대신 간단한 집전 장치를 사용한다. 현재 프로토타입의 에너지 밀도는 400Wh/kg에서 최대 600Wh/kg이다.

 

전고체 배터리의 세라믹 분리막은 운전자가 연료탱크를 채우는 시간과 거의 비슷한 충전 속도를 제공한다. 미국 스타트업 솔리드 파워는 포드, BMW와 황화철 화합물을 개발하고 있으며 2015년 다이슨에 인수된 삭티3의 설립자는 피스커용 전고체 배터리 개발에 참여했다. 마지막으로 삼성은 은탄소 음극재 방식의 전고체 배터리를 개발해 원천 기술을 보유하고 있는 것으로 알려졌다. 

 

또 다른 중요한 발전은 무선 배터리 관리 시스템인데, 이는 무겁고 값비싼 구리선을 더 빠른 와이파이 통신으로 대체한다. GM의 모든 얼티엄 배터리에는 이런 무선 시스템이 들어갈 것으로 알려졌다. 그리고 원자재 수급 측면에서 태평양의 클라리온-클리퍼턴 단열대를 채굴하기 위한 노력도 이뤄지고 있다. 이곳에는 망간 29.2%, 니켈 1.3%, 구리 1.1%, 코발트 0.2% 등으로 이뤄진 감자만 한 다금속 결절이 널려 있다.

 

 

연료전지

대부분의 자동차 연료전지는 양성자 교환막을 사용한다. 이 막은 작고 가벼우며 쾌적한 온도에서 작동한다. 하지만 습도와 상당량의 순수한 수소가 필요하다. 가까운 미래에 생산되는 자동차에는 이런 시스템이 적용될 거다. 일부 연료전지는 메탄올에서 수소를 추출할 수 있지만 이산화탄소를 배출하며, 현재는 지게차와 같은 산업적인 용도로만 사용된다. 세 번째 유형은 하나 이상의 용해된 전기 활성 물질을 포함하는 전해액이 전기 화학 전지를 통해 흐르는 흐름전지다. 여기서 전지는 화학에너지를 전기로 직접 역전환해 전해액을 고갈시킨다.

 

고갈된 전해액은 전원을 연결해 흐름 셀을 거쳐 역방향으로 끌어올리거나, 새로운 전해액으로 교체해 전해액 오프보드에 에너지를 공급하는 식으로 재활성화된다. 독일 리히텐슈타인에 본사를 둔 나노플로우셀은 흐름 셀로 구동되는 ‘콴티노’라는 소형 스포츠카를 개발했지만 생산 협력사에 대한 발표는 아직이다. 아마도 연료전지 영역에서 더 큰 관심을 갖게 될 분야는 수소의 생성과 분리, 저장, 수송에 대한 기술적 접근일 것이다.

 

 

전기모터 기술

전기모터의 비용, 무게, 효율성을 향상시키기 위해 다양한 연구가 진행 중이다. 중국은 영구자석에 쓰이는 희토류 물질의 95%를 생산하고 있다. 하지만 미 국방부 프로그램의 자금 지원을 통해 세 개의 유의미한 결과가 나타났다. 우선 미네소타 대학교는 튼튼하고 저렴한 질화 철자석을 개발했다. 노스 텍사스 대학교의 에임스 연구소는 보다 풍부한 네오디뮴의 대체 물질로 세륨을 연구하고 있다. 아르곤 국립연구소는 교환식 스프링 자석을 개발 중이다. 

 

게다가 자석의 배열 방식도 큰 차이를 만든다. 대부분의 모터는 로터와 고정자 사이의 간격이 축과 평행하도록 하면서 회전축으로부터 N-S극이 방출되도록 배치한다. ‘팬케이크 모터’라고 불리는 최근 생겨난 축방향 자속 모터는 극을 평행하게 배열하고 간격은 회전축에 수직으로 배치한다. 이렇게 하면 자석이 회전축으로부터 더 멀리 떨어져 토크가 증가하며 열 관리 또한 수월하다. 실제로 맥라렌의 신형 아투라 PHEV에 얹힌 축방향 자속 모터는 P1 하이브리드 하이퍼카에 장착된 모터보다 전력 밀도가 33% 더 높다.

 

자기저항 모터는 영구자석이나 고정자의 코일 없이도 작동이 가능하며 비용이 낮고 전력 밀도가 높다. 그러나 소음이 크고 극의 위치가 변할 때 토크가 약간씩 줄어드는 토크 리플이 발생한다. 최근에는 전자 기술 발전으로 동기식 자기저항 모터를 보다 쉽게 제어할 수 있다. 툴라 테크놀로지의 동력 펄스 개념은 이런 토크 리플을 제거하는 것은 물론 자동차에 적용할 가능성도 높여준다.

 

대부분의 전기모터는 기존 방식의 변속기가 없어도 효율적이다. 하지만 1단 기어의 절반 수준인 2단 기어비로 가속 토크와 순항 시 효율의 균형을 더욱 잘 맞출 수 있다. 캐나다 토론토의 부품 공급 업체 인모티브가 자전거 변속기에서 영감을 받은 2단 체인 드라이브 개념은 고압 윤활이나 냉각이 필요하지 않다. 지속적으로 맞물리는 유동 기어로 인한 마찰 손실도 없다. 이렇게 하면 주행가능거리가 늘어나거나 배터리 소모가 7~15% 줄어들 수 있다. 보쉬는 3.0~4.0의 폭넓은 기어비를 지원하는 CVT4EV 푸시 체인 변속기를 개발했다. 이 변속기는 속도 변화에 따라 더 작은 모터로도 충분한 토크를 제공하도록 설계됐다. 

글_프랭크 마커스

 

 

재사용과 재활용은 어떨까?

우리는 전기차에 쓰인 배터리가 그 수명을 다하면 친환경 에너지 저장 또는 비상용 백업 전력 제공을 위해 재사용될 것이라고 알고 있다. 이건 제대로 진행되고 있을까?

 

닛산은 리프의 배터리 모듈을 리프 배터리와 지게차 배터리 교체용, 그리고 엑스 스토리지 홈 에너지 저장 시스템용으로 재구성하는 시스템을 갖췄다. 호주의 일렉트리파이, 영국의 파워볼트, 스웨덴의 박스 오브 에너지 등이 전기차 배터리를 재사용하기 위해 유사한 가정용 장치를 제공한다. 그러나 매년 배터리의 재사용 횟수와 비율을 정확하게 파악하기는 어려운 실정이다. 

 

영국 런던에 있는 서큘러 에너지 스토리지에 따르면 배터리를 더 이상 사용할 수 없게 될 경우 약 100개의 회사가 해당 배터리를 재활용할 수 있다. 해당 회사들이 함께 2019년 전 세계에서 폐기된 리튬이온 배터리 20만 톤 중 절반가량을 처리했다. 이들 대부분 배터리가 생산된 인근인 중국과 한국에 있으며 미국, 유럽, 호주에서의 배터리 재활용 비율은 5% 수준에 불과하다. 

 

캐나다 회사인 리사이클은 뉴욕 로체스터에 북미 최대의 배터리 재활용 센터를 짓고 있다. 이곳은 연간 약 2만8000톤의 배터리를 처리하도록 설계됐으며, 이는 2030년에 발생할 배터리 폐기물의 3분의 1에 해당하는 양이다. 리사이클은 자사의 습식 제련(침출) 공정이 폐수를 발생하지 않으며 최소화된 온실가스 배출과 함께 매립 폐기물도 없이 리튬, 니켈, 코발트의 95%를 회수한다고 주장한다. 따라서 리사이클은 해당 금속들의 주요 공급처이자 미국의 유일한 코발트 공급원이 될 것이다.

 

테슬라의 공동 창업자인 J.B. 스트라우벨이 미국 네바다주 카슨시에 설립한 레드우드 머티리얼은 현재 기가팩토리의 불량 배터리 셀을 재활용하기 위해 건식 야금(열 추출)과 습식 제련 공정을 혼합해 사용한다. 이를 통해 니켈, 코발트, 구리, 알루미늄, 흑연의 95~98%, 그리고 리튬 80% 이상을 회수한다. 레드우드는 일반 가전제품의 배터리도 재활용하겠다는 계획이며 다른 업체들도 희토류와 전기차에 사용되는 다른 중요 금속들을 회수하기 위해 이와 유사한 재활용 공정을 도입하고 있다. 한 가지 잠재적인 문제점은 코발트는 재활용 시 비용이 드는 금속이라는 점이다.

 

 

 

 

모터트렌드, 자동차, 전기차, 친환경 기술

페이스북 트위터 링크
CREDIT

EDITOR : 김선관PHOTO : 라이언 루고(일러스트레이션)

모터 트렌드 ©motortrendkorea.com, ©motortrendkorea.co.kr 무단 전재 및 재배포 금지