전기차 주행거리 개선을 위한 새로운 배터리 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-26

미 에너지부(U.S. Department of Energy)에서 개발한 물질을 기반으로 하는 리튬이온 배터리(Lithium-ion Battery)가 아직은 실험실 단계이지만 대부분의 전기자동차(Electric Car)에 사용되는 배터리와 비교했을 때 최대 두 배의 에너지를 저장할 수 있을 것으로 보인다. 스타트업(Starup) 기업인 Seeo의 CEO인 Hal Zarem은 이 기술을 성공적으로 상업화할 수 있다면 한 번의 충전으로 200마일 이상을 주행할 수 있는 경제적인 전기자동차를 운전할 것이라 말한다. 오늘날 가장 저렴한 전기자동차의 가격은 약 30,000 달러 수준이며, 이들의 주행거리는 보통 100마일이 채 되지 않는다. 그러나 새로운 배터리는 저장용량을 개선하여 현재 전기차의 평균 운행거리를 유지하면서 배터리 팩의 크기는 절반으로 줄 수 있어 전기차의 가격을 낮추는데 도움을 준다. 100 마일을 주행할 수 있는 일반 배터리팩은 약 10,000달러의 비용이 필요하다. 미 캘리포니아 주 Hayward에 기반을 두고 있는 Seeo사는 투자자들로부터 17백만 달러의 연구자금을 지원받았다. 이들은 잠재적인 고객들의 평가를 받기 위해 2015년에 제품 선적을 시작하겠다는 계획을 갖고 있다. Seeo사의 배터리 시제품은 고체 상태 배터리(Solid-state Battery)이며, 이는 일반 리튬이온 배터리에 사용되는 액상 전해질을 고체로 대체하였다는 것이다. 고체 전해질은 다양한 장점을 가지고 있다. Seeo가 개발한 제품은 순수 리튬을 사용하며, 이는 보다 많은 에너지를 저장할 수 있다. 다른 회사들도 고체 전해질과 순수 리튬을 사용하는 배터리를 개발하였으나 Seeo사가 도달한 에너지 저장 용량 대비 낮은 것으로 나타났다. 보통 고체 전해질은 액체 전해질만큼 이온을 잘 전달하지 못한다. 또한 순수 리튬은 단락을 유발하는 금속 필라멘트(Metal Filament)나 덴드라이트(Dendrite)를 형성하는 경향이 있다. 이 문제는 보통 그래파이트(Graphite)와 같은 다른 물질을 리튬에 결합하여 예방할 수 있다. 그러나 Seeo의 고체 전해질은 두 개의 고분자 층을 포함하고 있다. 하나는 부드러우면서 이온을 운반하고, 또 다른 하나는 단단하면서 전극 사이에서 물리적 장벽을 형성하여 덴드라이트가 형성되는 것을 방지한다. 순수 리튬을 이용하는 고체 상태 배터리를 개발한 다른 회사들은 대부분 고체 전해질의 전압 제한으로 인해 배터리 내 다른 곳에서 변화를 일으키도록 되어 있어 저장용량을 저하시킨다. Seeo는 자세히 언급하지는 않았으나 이러한 문제를 피할 수 있었다고 밝혔다. Zarem은 일반 리튬이온 배터리를 제조하는 설비를 이용하여 배터리를 제조할 수 있어 비용 절감에 도움을 준다고 밝혔다. 그러나 중요한 의문점들이 아직 남아 있다. Seeo는 새로운 배터리를 얼마나 재충전할 수 있는지 아직 모른다. 진행 중인 테스트에서 시제품 셀은 100회 이상의 충전에도 문제가 없는 것으로 나타났다. 그러나 실용성을 위해서는 1,000회 이상의 사이클을 견딜 수 있어야 한다. 또 다른 도전은 현재의 리튬이온 배터리가 빠르게 가격이 하락하고 있으면서 성능은 개선되고 있다는 점이다. 테슬라 모터스나 파나소닉은 일반 배터리의 생산 규모를 확대하여 가격은 35,000달러 수준이면서 운행거리는 약 200마일이 되는 전기차를 생산하는 것을 목표로 삼고 있다. http://www.technologyreview.com/news/533541/a-prototype-battery-could-double-the-range-of-electric-cars/