폭발하는 배터리 vs. 안전한 배터리

이 같은 위험에도 불구하고 전기차 판매는 전 세계적으로 꾸준히 증가하고 있는 추세입니다. 석유연료와 엔진을 사용하지 않아서 친환경적이며 소음이 없고, 전기차 충전소에서 무료로 충전할 수 있어서 유지비가 저렴하기 때문입니다. 또한, 과거에는 1회 충전 시 전기차의 주행거리가 30~60㎞에 불과했지만, 지금은 1회 충전하면 100~140㎞가량을 갈 수가 있고 전기차 충전소 설치도 늘어나서 더욱 편리해졌습니다. 그 결과 국토부에 따르면, 서울 시대 전기차는 2011년부터 꾸준히 증가하고 있습니다.

폭발 위험성에도 불구하고 전기차를 믿고 구매하는 데는 위험을 감수할 만큼의 이점이 있기 때문이며, 위험이 곧 극복되고 해결될 것이라는 믿음이 있기 때문이 아닐까요? 스마트폰 역시 마찬가지입니다. 배터리 폭발 사고에 대한 위험성은 여전히 남아 있지만, 스마트폰의 판매는 계속 늘어만 가고 있습니다.

 

많은 기술들이 실패를 극복하면서 지속적으로 발전하고 있습니다. 스마트폰과 전기차의 미래에 배터리의 기술 혁신은 반드시 필요합니다. 때문에 지금 전 세계는 차세대 IT 혁명을 뒷받침할 배터리 기술 혁신에 주목하여, 리튬 이온배터리의 대안을 찾으려는 노력을 계속하고 있습니다. 보다 안전하고 효율이 좋은 배터리를 만들기 위해서 어떤 노력들이 이루어지고 있는 지 살펴보겠습니다.

 

안전한 배터리

첫 번째는 폭발 위험성이 없는 안전한 배터리로 최근에는 알루미늄 이온 배터리가 큰 주목을 받고 있습니다. 2012년 미국 에너지국(Department of Energy)은 국립 연구소, 대학, 기업 등의 협업으로 차세대 배터리 기술 개발을 목표로 1억 2000만 달러 규모의 5개년 계획을 발표했고, 그 노력은 이제 성과로 나타나고 있습니다. 대표적인 예로, 미국 스탠퍼드 대학 연구팀이 개발한 알루미늄 이온 배터리는 기존의 리튬 이온배터리보다 충전 속도와 내구성은 물론이고, 안전성이 높고 제조 비용도 저렴하다고 합니다.

알루미늄 이온 배터리는 알루미늄 양극과 흑연 음극으로 이뤄져 있고 전해액에 이온 액체를 사용하여 전류가 통한 상태에서 구부리거나 충격을 가해도 발화 위험이 없는 것이 가장 큰 장점입니다. 실제 스탠퍼드대 연구팀은 안전 테스트 중 작동 중인 알루미늄 이온 배터리에 드릴로 구멍을 뚫는 실험까지 했지만, 배터리 온도 급상승이 일어나지 않았다고 하네요.

또한, 알루미늄 이온 배터리를 자유자재로 쉽게 구부릴 수 있어서 웨어러블 디스플레이 등에 적합한 대안이 될 수 있습니다. 게다가 알루미늄 이온 배터리는 수명도 기존 리튬 이온배터리보다 7~10배 이상 길다고 합니다. 물론 현재는 알루미늄 이온 배터리 개당 용량이 건전지 1개 수준에 불과하고 전압이 낮다는 문제도 있습니다. 하지만 빠른 시일 내 이러한 문제들이 해결되고 차세대 배터리로 사용될 전망입니다.

초고온 리튬 이온배터리

국내에서는 ‘초고온 리튬 이온 전지(Super Hot Lithium-Ion Batteries)’ 개발을 눈앞에 두고 있습니다.한국의 기초과학연구원(IBS) 연구진이 개발한 이 전지는 100°C 상황에서도 정상적인 작동이 가능한 것이 특징으로 ‘다공성 쿠커비투

[6]릴(porous CB[6])’이라는 물질을 이용해 고체 성질의 새로운 리튬 전해질 물질을 만들어 폭발 위험을 없앴습니다. 기존 리튬이온배터리의 액체 전해질과 달리 고체 리튬 이온전지는 안전성이 높아서 과열이나 폭발할 위험이 없으며 이온전도도도 높은 효율적인 5년 내 상용화를 추진할 계획이라고 합니다. 초고온 리튬 이온전지의 경우 액체를 고체로 속성을 바꾸어, 기존의 리튬 이온전지의 폭발 위험성을 해결한 창의적인 사례입니다.

오래가고 빨리 충전되는 배터리

전기 자동차의 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌은 배터리 충전 시간이 오래 걸리고 1회 충전 시 갈 수 있는 주행거리가 여전히 짧다는 점입니다. 현재 시판 중인 전기자동차는 가정용 전원(240V)으로 7~8시간이 지나야 충전이 가능하며, 전기자동차 급속 충전소에서는 완충하는데 30분 정도가 소요된다고 합니다. 더 큰 문제는 1회 충전 시 주행거리가 150Km 안팎이며, 여름과 겨울 냉난방 시스템을 가동할 경우에는 더욱 주행거리가 짧아진다는 점입니다. 짧은 주행거리를 고려할 때, 전기자동차 급속 충전소도 매우 부족한 상황입니다. 현재 전국에 있는 전기차 급속 충전 시설은 약 337개뿐이며, 대부분은 서울, 경기도, 제주도 등 특정 지역에 몰려있어서 장거리 운전은 불가능에 가깝습니다.

배터리 충전으로 어려움을 겪는 것은 비단 전기차뿐이 아닙니다. 전화와 문자는 기본이고 동영상 시청이나 음악 감상 및 회사 업무까지 현대 사회의 필수품, 스마트폰의 경우에도 잦은 배터리 방전으로 불편을 겪는 경우가 늘어나고 있습니다. 그럴 때마다 무거운 보조 배터리나 충전기를 들고 다녀야 해서 여간 불편한 게 아닙니다. 이러한 문제를 해결하고자 세계 각국은 에너지 밀도를 높인 고용량 배터리를 만들고자 노력하고 있습니다. 좀 더 작으면서 오래가며 한번 충전하면 오랫동안 사용할 수 있는 꿈의 배터리가 개발된다면, 4차 혁명은 좀 더 빨리 나타날 것입니다.

오래가는 고용량 배터리

최근에는 고용량 리튬 이온 셀을 탑재하여 같은 무게에도 약 30%가량 더 많은 전력을 담을 수 있는 제품이 선보이고 있습니다. 일본 도요타 자동차와 도쿄 공업대학, 고에너지가속 연구기구는 최근 자동차 연속 주행거리를 최대 1,000㎞까지 늘릴 수 있는 전기 차용 배터리 시제품을 선보이기도 했습니다. 우리나라 정부에서도 2025년까지 나노기술을 접목해 1회 충전으로 500㎞를 가는 전기자동차 배터리 개발을 목표로 하는 ‘제4기 나노기술 종합발전계획(2016~2020)’을 수립했습니다.

 

빠르게 충전되는, 고효율 배터리

기존 제품보다 2배 이상 빠르게 고속 충전이 가능한 고효율 배터리도 선보이고 있습니다. 미국의 발명가 션 웨스트(Shawn West)가 2014년 개발한 초고속 충전 배터리는 단 26초 만에 완충된다고 합니다. 2016년 우리나라의 카이스트는 약 20초 이내에 스마트폰을 충전할 수 있는 기술을 개발했습니다. 휴대전화 단말기 제조사인 중국 기업 오포(Oppo)는 2016년 2월 바르셀로나에서 열린 MWC2016에서 휴대폰을 15분 만에 100% 충전할 수 있는 ‘슈퍼부크(SuperVOOC)’ 기술을 공개한 바 있습니다. 이스라엘 회사 스토어닷(StoreDot)은 2015년 나노 기술을 이용해 사용한 초고속 배터리 충전 시스템을 개발하였는데, 스마트폰은 30초 이내, 전기자동차는 5분 내에 충전할 수 있다고 합니다.

 

이와 같은 고속 충전 배터리는  불필요한 동작이나 요소를 제거하여 속도를 높인 창의적인 사례입니다.

 

무선 충전 배터리

별도의 충전기나 충전소가 필요 없는, 혁신적인 무선 충전 기술도 개발되고 있습니다. 볼보는 지표면 충전판과 차량의 전기유도 픽업 사이에 자기장을 발생시켜 이를 통해 배터리를 충전하는 무선 전기유도 충전 방식을 곧 선보일 예정이라고 합니다. 도로 밑에 매설된 전선에서 발생하는 ‘자기장’을 차량으로 전송하면, 차량 하부에 장착된 집전장치를 통해 이를 ‘전기 에너지’로 변환하여 차량을 운행하는 새로운 방식입니다. 이와 같은 충전 방식을 이용하면 충전 시간이 크게 줄어들 뿐 아니라, 지표면에서 차량으로 곧바로 전원이 공급되어 별도의 충전소나 충전장치가 전혀 필요 없어집니다. 기존의 주행 거리나 충전 시간, 혹은 발화 위험 등의 문제점들이 모두 사라지는 혁신적인 변화가 시작되는 것입니다.

무선 충전 전기자동차에 대한 최초의 원천 기술은 놀랍게도 우리나라에서 확보했습니다. 카이스트(KAIST)는 세계 최초로 주행 및 정차 중에 무선으로 대용량의 에너지를 안전하게 전달할 수 있는 ‘SMFIR(Shaped Magnetic Field In Resonance, 자기공진 형상화 기술)’의 원천 기술을 개발하여 특허를 받았는데요. 세계 경제 포럼(WEF, 다보스 포럼)의 세계 10대 유망 기술로 선정되기도 했습니다. 경북 구미시는 카이스트가 개발한 무선 충전 전기버스를 2014년부터 도입하여 운행하고 있다고 합니다. 무선 충전 전기버스는 차고지에 주차만 해두면 30분 후 자동으로 충전이 완료됩니다.

세계 최대 무선 통신 반도체 업체인 ‘퀄컴(Qualcomm)’ 역시 자기 유도 방식의 무선 충전 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 앞으로 무선 충전 기술을 주차장이나 신호대기 등 특정 구역의 도로에 적용한다면 별도의 충전 없이 전기차들이 자유롭게 전 세계를 다닐 수 있을 것입니다. 독일도 도로에 전선을 매설하여 전선 자기장으로 움직이는 도심 전기차를 계획하고 있으며, 미국 뉴욕시에서는 ‘헤보 파워’사의 맨홀 뚜껑 형태의 전기차 무선 충전기를 도입했다고 합니다.

우리나라의 LG전자는 자기장 유도방식으로 별도의 연결선 없이 거치대에 휴대폰을 올려놓으면 충전되는 기술을 개발했습니다.  현재는 주차한 상태나 거치대에 올려 둔 상태에서만 무선 충전이 가능합니다. 하지만, 앞으로는 주행 중이나 이동 중에도 휴대폰이나 전기자동차의 무선 충전이 가능해질 것으로 예상되고 있습니다. 그야말로 언제 어디서나 계속 무선 충전이 가능해진다면 4차 산업혁명을 뛰어넘을 혁명적인 변화가 시작될 것입니다. 언제 어디서나 별도의 충전 없이 전자기기들을 자유롭게 활용할 수 있게 되는 것이죠.

심지어 멀지 않은 미래에는 공중에 날아다니는 전파를 활용해서 전기를 충전하는 것도 가능해질 전망입니다. 워싱턴대학 연구팀이 개발한 공기 전력 공급(Power from the Air) 기술로서, 와이파이와 휴대 전파, TV와 라디오같이 전자 기기에서 발생하는 전자파를 에너지로 변환하여 사용하는 기술입니다. 이와 같은 공중 전력 공급 기술이 상용화된다면 별도의 충전이라는 개념이 아예 필요 없어지겠습니다.

이와 같이 자기장이나 전파 등을 이용하여 끊김 없이 언제 어디서나 충전이 가능하게 되면 충전을 위해서 정차하거나 스마트폰을 충전기에 꼽아두는 중간 동작을 제거되게 됩니다.  이처럼 유익한 작용이 지속되게할 방법을 고민하는 것은 새로운 발명을 만드는 하나의 방안이 될 수 있습니다.

이러한 무선 충전 기술은 기존 전기자동차나 스마트폰의 한계점을 극복하는 혁명적인 방법으로 전기자동차가 널리 보급될 뿐 아니라 전기자동차나 스마트폰의 사용 방식 및 내부 구조에도 거대한 변화를 가져올 것으로 전망되고 있습니다. 예를 들면, 스마트폰이나 자동차의 내부에 복잡한 엔진이나 회로를 넣을 필요 없이, 최소한의 기능만 장착하고 나머지의 회로 등은 상황에 따라서 무선으로 전송받아서 사용하게 될 수도 있습니다. 그야말로 지금까지와는 차원이 다른 신개념의 전자기기들이 대거 등장할 수 있습니다.

또한, 전파나 초음파 등에 전기 에너지를 실어서 먼 우주의 인공위성이나 우주선으로 보내줄 수도 있습니다. 인공위성으로 태양 에너지를 받아서 이를 전기 에너지로 변환하여 전기가 필요한 곳에 보내주는 것도 가능합니다. 그야말로 언제 어디서나 원하는 에너지를 자유롭게 사용할 수 있는 새로운 세상이 시작되는 것입니다.

폭발하는 배터리와 안전한 배터리는 서로 다른 것이 아닙니다. 폭발하는 배터리로부터 시작된 다양한 실패를 극복하는 노력들이 결합되어 결국 우리가 원하는 안전한 배터리가 만들어지고 있는 것입니다. 다른 일도 마찬가지입니다. 작은 실패를 크게 여기고 포기해버린다면 어떠한 변화와 혁신도 일어나지 않을 것입니다. 내 주변의 것들에서 작은 지혜를 배우고 내 것으로 만들어 변화를 오늘 바로 이 순간부터 실천해 보았으면 합니다. ^^