전기자동차의 망토가 되어줄 ‘Super’ 커패시터

전기자동차의 망토가 되어줄 ‘Super’ 커패시터

 

  현재 전 세계적으로 자동차시장의 판도가 뒤바뀌고 있다. 지구온난화가 가속화되고, 환경오염의 가속화로 많은 국가들이 자동차를 환경오염원으로 지정하고 규제를 하기 시작했다. 대표적으로 독일 폭스바겐사의 디젤게이트 사건 이후로 많은 자동차 회사들이 내연기관이 아닌 전기자동차를 비롯하여 플러그 인 하이브리드자동차, 수소자동차 등 미래의 자동차의 먹거리를 위해 R&D에 적극 투자하고 시장에 자동차들을 출시하고 있다.

[사진1.  KPMG’s Global Automative executive Survey 2017]

( 출처 : https://home.kpmg.com/kr/ko/home/media/press-releases/2017/01/20170113.html )

1월 11일에 글로벌 회계, 컨설팅 업체인 KPMG 인터내셔널에서 42개국 953명의 자동차 산업 분야 경영진과 2400여명의 일반 소비자를 대상으로 설문조사를 진행하여 발표한 ‘글로벌 자동차산업 경영 조사 보고서’에 따르면 ‘배터리 전기차’가 2025년까지 자동차 산업을 이끌 핵심 트랜드로 선정됐다. ‘연결성 및 디지털화’ 그리고 ‘수소연료전지자동차’가 그 뒤를 따랐다. 이처럼 배터리 전기차는 최근 자동차 시장에서 매우 촉망받는 미래의 산업이다.

●그렇다면 전기 자동차는 어떻게 기존의 내연기관 자동차와 무엇이 다른 것인가?

전기자동차 EV(Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차로, 연료는 전기에너지이다. 휘발유나 경유를 연소하여 엔진에서 열에너지를 기계에너지로 바꾸는 내연기관과 다르게 전기자동차는 배터리에 축적된 전기에너지를 기계에너지로 바꾸어 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시킨다. 전기자동차와 하이브리드자동차의 공통점은 바로 배터리가 자동차에 장착이 되어 있다는 점이다. 특히 전기자동차는 내연기관이 없고 모터와 배터리가 내연기관을 대체한다.

[사진2. 자동차 종류별 구조]

( 출처 -  http://www.lgblog.co.kr/life-culture/business/56874 )

●전기자동차와 내연기관의 차이는?

전기자동차는 배터리와 모터로만 구동이 되다 보니 내연기관에서 공회전->가속->정속->감속과정에서 내연기관은 COx와 NOx, HC, Dust smoke, T.E.L(Tetra Ethy Lead), P.A.H(Polynuclear Aromatic Hydrocarbon), Pb, VOC(Voliatile Organic Compound) 등의 공해물질들을 배출하는 반면에, 전기자동차는 이러한 공해물질들을 배출하지 않는다. 또한, 연료를 연소하지 않으므로 소음이 거의 없고, 일반 자동차와 다르게 전원이 공급되자마자 최대의 힘을 발휘할 수 있다. 또한, 기존 자동차에서 필요했던 엔진, 변속기 등의 핵심제품을 사용하지 않게 되어 기존 3만개의 부품이 1만개로 줄었으며, 자동차의 경량화가 이루어지므로 인해 자동차의 디자인도 파격적으로 변신이 가능해졌다. 이러한 전기차의 장점들은 여러 기업들의 전기자동차 진출을 촉진시키는 계기가 되었다.

[사진3. 접이식 자동차 아마딜로-T]

( 출처 - http://www.kaist.ac.kr/_prog/_board/?mode=V&code=kaist_news&no=12293&site_dvs_cd=kr&menu_dvs_cd=0601&gubun=3821&site_dvs= )

 

●전기자동차의 한계

물론 이렇게 전기자동차의 장점이 많지만 반대로 단점 또한 많이 있다. 전기차의 단점은 크게 3가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째, 전기차는 기존의 자동차와 다르게 인프라 시설, 즉 배터리 충전시설이 많이 부족하다. 이유는 간단하다. 아직까지 전기차는 대중화가 되지 않았기 때문에 최근에 인프라를 갖추기 시작했다.

둘째, 비싼 배터리의 가격이다. 현재 전기차 가격의 절반 정도는 배터리가 차지하고 있다. 전기차에 주로 쓰이는 배터리의 종류로는 리튬이온과 리튬폴리머가 있다. 이들의 주원료가 리튬과 코발트 흑연인데, 리튬은 희토류이고, 코발트 또한 귀한 금속이다. 그러한 이유로 일반 자동차 가격의 2.5배에서 3배 정도로 가격이 비싸다고 한다. 최근에 전기자동차의 수요증가에 따라서 리튬과 코발트의 가격이 급등한 모습을 볼 수 있다.

 

[사진4. 리튬과 코발트 가격]

( 출처 - https://www.kores.net/komis/main/userMain/main.do )

세 번째로 전기자동차의 짧은 주행거리, 즉 배터리 내구성의 문제이다. 전기자동차의 경우 많은 전기에너지가 필요하다. 리튬이온 배터리의 특성상 많은 충전을 하게 되게 되다 보니 우리가 사용하는 휴대폰처럼 효율이 금방 떨어질 수 밖에 없다. 또한 충전 전압에 따라서도 싸이클이 달라지기도 한다.

 [사진5. 좌 - 충전횟수에 따른 리튬이온 싸이클 /  우 - 전압에 따른 리튬이온 싸이클]

( 출처 -  http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries )

이러한 이유로 현재 리튬이온을 배터리로 사용하는 우리로서는 비싼 리튬과 코발트를 대체할 양극제 개발을 하거나 아예 새로운 개념의 배터리를 개발해야한다.

그 중에 오늘 소개할 것은 바로 기존 리튬 이온 배터리의 단점을 보완할 ‘슈퍼커패시터’이다. 슈퍼커패시터는 이름에서도 느낌으로 알 수 있듯이 Super + Capacitor 대용량으로 에너지를 저장할 수 있는 콘덴서이다. 여기서 단순히 이름만보고 ‘슈퍼커패시터? 슈퍼배터리인가? 배터리를 크게 만든 것과 다른 게 뭐지?’라는 의문을 가질 수가 있다.

● 커패시터(콘덴서)와 배터리는 아예 다른 개념이다!

우선 커패시터는 축전‘기’이고 배터리는 축전‘지’이다. 이 둘의 차이점부터 설명하자면, 축전기는 전압에 비례하는 전하를 모아, 필요한 곳에 공급하는 장치이다. 전하가 모일 때 충전, 전하가 사용되어 없어질 때 방전이라 한다. 하지만, 축전기에 저장할 수 있는 전기에너지의 양은 매우 적어서 보통 축전지를 충전하는 장치나 회로에서 사용되어 왔다.

[사진6. 좌 - 회로도에 쓰이는 축전기 / 우 - 슈퍼커패시터]

( 출처 - (좌) http://m.blog.naver.com/hst393/150189489059 / (우) http://kr.aving.net/news/view.php?articleId=1312699 )

 

축전지는 외부에서 들어오는 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기에너지로 바꿔 만들어내는 장치이다. 축전지에 저장할 수 있는 전기에너지의 용량은 축전기에 비해 매우 커서 우리가 흔히 아는 배터리의 형태도 이용되어 왔다.

[사진7. 배터리(축전지)의 형태]

( 출처 : (좌) http://pcpinside.com/2124  / (우) http://www.iambattery.kr/shop/shopdetail.html?branduid=110460&special=3 ) 

 

●단점을 극복해가는 슈퍼커패시터! 전기자동차에 사용하게 되면 ?

앞서 소개한 커패시터(축전기)는 꾸준한 연구를 통해 그 내부에 저장할 수 있는 에너지의 양을 늘려왔고 슈퍼커패시터로 발전하였지만, 전기자동차와 같이 대용량의 에너지가 필요한 기계에는 턱없이 부족한 양이었다. 슈퍼커패시터는 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 충전하고 방출할 수 있는 특성과 수명이 오래간다는 장점이 있지만 상대적으로 이차전지에 비해서 낮은 에너지 저장장치라는 단점이 있기 때문이다. 이 때문에 많은 나라에서 슈퍼커패시터의 단점을 극복한 슈퍼커패시터의 개발을 하고 있는 상황이다.

최근에 슈퍼커패시터의 장점과 리튬이온배터리의 장점을 결합시킨 하이브리드 슈퍼커패시터가 등장하면서부터 전기자동차에도 커패시터를 사용할 수 있다는 희망이 생기게 되었다. 이쯤 되면, ‘그냥 원래부터 많이 저장할 수 있는 배터리를 사용하면 되지 않나?’라고 의문을 갖는 사람이 있을 것이다. 슈퍼커패시터가 전기자동차 시장에서 핫이슈로 떠오른 이유는 바로 ‘충전 시간과 내구성’이다. 리튬 이온 배터리의 경우 현재 사용화 되어 있는 테슬라사의 자동차의 경우 초고속 충전으로 30분 동안 80%가량 충전할 수 있다. 배터리 수명의 경우에는 5~10년 정도로 보고 있다.

반면에 하이브리드 슈퍼커패시터는 이보다 더 빠른 충전시간과 더 큰 수명을 가지고 있다. 리튬이온의 장점인 높은 에너지 용량과 가볍고 메모리 현상을 가지지 않는 특징과 슈퍼커패시터의 빠른 충전 속도 고출력, 그리고 수명의 장점을 결합시킨 차세대 하이브리드 에너지 저장기술을 KAIST 신소재공학과 강정구 교수가 개발하였다. 하이브리드 슈퍼커패시터를 장착한 전기자동차의 경우는 충전시간을 10분 이내로 단축하고 충전 수명도 1만회 이상으로 하루에 1번 충전한다고 해도 27년 이상 사용할 수 있는 횟수다. 배터리의 경우 그 특성상 충전과 방전을 반복하면 배터리 용량이 줄어드는데 슈퍼커패시터는 그 단점을 보완할 수 있다.

[사진8. 같은 구조체로부터 파생된 서로 다른 두 기능의 전극이 조화되어 고성능의 에너지 저장 장치를 구현하는 개념도]

( 출처 : http://www.msip.go.kr/web/msipContents/contentsView.do?cateId=mssw311&artId=1314247 )

 

현재 슈퍼커패시터가 실제로 상용화되기 위해 대량생산 가능한 공정과정 최적화에 대한 연구가 진행되고 있으며 앞서 지적된 비싼 리튬이온을 대체할 마그네슘이나 나트륨을 이용한 양극제 개발을 통해서 값싼 슈퍼커패시터를 전기자동차에 탑재한다면 전기자동차의 보급화가 더 빨리 이루어질 것이다.