전기차 안의 숨은 동력! : 배터리
R.E.F 17기 노혜윤
환경오염으로 지구가 몸살을 앓고 있는 요즘, 환경문제 해결을 위해 과학계는 환경을 위한 기술 발전에 앞장서고 있습니다. 오늘은 다양한 해결방법 중 친환경적이고 혁신적인 기술까지 갖춘 ‘전기 자동차와 배터리’에 대해 소개하려고 합니다.
전기 자동차란 (Electric car, Electric vehicle) 이름에서 알 수 있듯이 전기를 동력으로 운행되는 자동차입니다. 정확한 사전적 정의는 전기 자동차는 전기로 구동되는 전동기를 사용하여 움직이는 자동차입니다. 전기 자동차는 기본적으로 완속 충전기, 컨버터, 인버터, 모터, 감속기, 배터리팩, 급속충전부로 이뤄져 있습니다.
전기 자동차는 실제 우리 실생활에서도 어렵지 않게 볼 수 있습니다. 전기 자동차의 외관은 가솔린을 주에너지원으로 사용하는 일반 자동차와 비슷하기 때문에, 전기 자동차와 가솔린 자동차를 외관으로만 구분하기 어렵습니다. 하지만 이 둘 사이엔 외관으로 나타나지 않은 큰 특징이 있습니다. 바로 ‘배터리’입니다.
[자료1. 전기 자동차의 기본 구조]
출처 : 두산백과
사실 전기 자동차는 1873년 제작되어, 실질적으로 가솔린 자동차 보다 먼저 탄생했습니다. 하지만 전기 자동차를 구성하는 요소들의 문제점이 전기 자동차의 상용화를 가로막았습니다.
최근 환경오염이 심각해지면서, 과학계는 다시 전기 자동차 개발에 몰두했고 지금의 전기 자동차가 탄생되었습니다.
일반적인 내연기관 자동차는 엔진을 사용하는 반면 전기 자동차는 전기 모터를 사용합니다. 이는 전기를 사용하는 전기 자동차의 특징을 반영한 구조적 결과라고 할 수 있습니다. 이렇듯 전기 자동차에게 전기란 사람의 심장과도 같이 중요한 요소입니다. 전기 생산을 위해선 배터리가 필요하죠, 배터리의 경량과 소형화는 전기 자동차 상용화의 필수적인 핵심 조건입니다.
[자료 2. 전기 자동차 내부 구조]
흔히 ‘배터리’라고 불리는 전기차의 핵심 구동 요소는 주로 축전지(storage battery) 또는 2차 전지(secondary cell)를 일컫습니다. 축전지란 전기 에너지를 화학 에너지 형태로 전환시켜 저장했다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치를 뜻합니다.
[자료 3. 축전지]
출처 : 두산백과
전지는 화학에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 맡고 있습니다. 이러한 전지는 일차 전지와 이차 전지로 나눌 수 있습니다. 일차 전지와 이차 전지의 차이점은 ‘충전’에 있습니다. 일차 전지는 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가사용 하지만 이차 전지는 충전이 끝난 전지에 역반응을 이용하여 본래의 상태로 되돌려 재충전이 가능합니다. 따라서 이차 전지를 사용하면 충전을 마친 후 전지를 새로 교체할 필요 없이 재충전 할 수 있습니다.
재충전인 핵심인 2차 전지는 반응물과 생성물 사이의 산화환원과정이 여러 번 반복 가능한 물질로 이루어져 있습니다. 전기 자동차의 핵심이 배터리라면 축전지의 핵심은 충전기 내부의 물질이라고 할 수 있습니다.
재충전이 가능한 2차 전지는 1차 전지에 비해 비싸지만, 여러 번 재사용이 가능해 경제적인 낭비가 발생하지 않고 쓰레기가 따로 발생하지 않아 환경 적인 이점 또한 갖고 있습니다.
다만 일차 전지에 비해, 2차 전지에 쓰이는 화학 물질이나 금속의 독성이 일차 전지에 비해 강한 편입니다. 이러한 부분은 지속적인 연구가 필요할 것으로 보입니다.
보편적으로 사용되는 축전지로는 니켈 카드뮴(NiCd) 전지, 니켈 수소(NiMH) 축전지, 리튬 이온(Li ion) 전지, 리튬 이온 폴리머(Li ion polymer) 전지, 그리고 납축전지 등이 있습니다.
현재 전기 자동차에 많이 쓰이는 축전지로는 납축전지(lead acid storage battery), 니켈 수소 전지(nickel metal hydride battery), 리튬 이온 전지(lithium ion battery) 등의 리튬 기반 축전지들과 공기 아연 전지(zinc air battery) 등이 있습니다. 그 중에서도 최근 가장 주목 받고 있는 리튬 이온 전지에 관해 소개하겠습니다.
[자료 4. 리튬 이온 전지]
리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높아 주로 전기차의 핵심 배터리로 쓰입니다. 축전기의 한 종류인 리튬 이온 전지(lithium-ion battery)란 리튬 이온을 이용하여 충전과 방전을 반복하여 사용할 수 있는 2차 전지 입니다. 충전 방식인 점은 다른 2차 전지와 크게 다른 점이 없지만, 리튬 이온 전지는 에너지 용량 대비 무게가 가장 가벼워 전기 자동차뿐만 아니라 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 기기에 널리 사용되고 있습니다. 다양한 분야에서 실용성을 인정받은 배터리인 만큼 현재 활발한 연구가 진행되고 있습니다.
리튬 이온 전지의 충전 과정
충전 과정에서는 외부에서 에너지를 가해서 리튬 이온을 양극에서 음극으로 이동시킵니다.
양극에서는 리튬 이온이 양극 물질에서 빠져나온다. 리튬 코발트 산화물을 양극 물질로 사용하는 경우의 반응은 아래와 같습니다.
LiCoO2 → CoO2 + Li+ + e-
양극을 빠져나온 리튬 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 통하여 음극으로 이동합니다.
음극에서 리튬 이온은 음극 물질에 삽입됩니다. 흑연을 음극 물질로 사용하는 경우의 반응은 아래와 같습니다.
C6 + Li+ + e- → LiC6
충전 과정에서 전체 반응은 아래와 같습니다.
C6 + LiCoO2 → LiC6 + CoO2
방전 과정에서는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하면서 외부에 전기 에너지를 공급합니다.
음극에 삽입되어 있던 리튬 이온이 빠져 나와 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 전자는 외부 도선을 통해 양극으로 이동합니다.
양극으로 이동한 리튬 이온은 양극 물질 속으로 환원되어 들어갑니다.
방전 과정에서 전지에 생성되는 전압은 3.7 V에 해당합니다.
[자료 5. 자동차에 장착된 대형 리튬 이온 전지]
[자료 6. 소형 리튬 이온 전지가 장착된 테슬라 자동차]
출처 : Wikimedia Commons
리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 무게가 가볍다는 것 말고도 다른 장점들을 갖고 있습니다. 리튬 이온 전지의 무게가 가장 가벼운 이유는 이온 전지를 구성하는 리튬입니다. 리튬 이온은 금속 중에서 가장 가벼우므로 리튬 이온 전지 무게 또한 가볍습니다. 니켈 기반 2차 전지와 비교했을 때 같은 에너지 용량당 무게가 2배 이상 가볍고 납축전지 보다 5배 이상 가볍습니다. 단위 전지당 생성되는 전압이 다른 2차 전지에 비해 크기 때문에 배터리 용량이 커 대부분의 휴대용 기기들은 리튬 이온 전지 하나로 구동이 가능 합니다. 다른 전지와 비교해 봤을 때 니켈 기반 전지는 1.2V, 납축전지는 2V의 전압이 단위 전지당 생성되는 것에 비교해 리튬 이온 전지는 3.7V를 생성합니다. 또한 니켈 기반 2차 전지에서 나타나는 메모리 효과가 리튬 이온 전지에서는 나타나지 않아 완전히 방전시키지 않아도 충전할 수 있고 배터리를 사용하지 않을 때 용량이 감소하는 자가 방전의 확률도 적다는 장점이 있습니다.
리튬 이온 전지의 단점으로는 안전성 문제입니다. 휴대전화의 리튬 이온 전지 폭발 사례에서 볼 수 있듯이 제조 과정의 결함이나 고온 고압 환경에 노출되었을 때 리튬의 화학적 반응으로 인해 전지가 폭발할 수 있습니다. 특히 리튬 이온 전지는 다른 2차 전지 보다 온도에 상대적으로 민감하며 사용하지 않더라도 노화되는 단점이 있습니다.
이러한 단점을 해결하고 에너지 효율을 높이려는, 환경에 대한 노력은 지금까지 이어지고 있습니다. 전기 자동차 개발은 더욱 편리한 인간 생활을 위해서도 있지만 현재 인류가 중점을 두고 바라봐야할 것은 환경이 아닐까 싶습니다.
앞으로도 계속되는 전기 자동차의 발전을 응원합니다!
참고 문헌
1. https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662870&cid=62802&categoryId=62802
2. https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741272&cid=60217&categoryId=60217
3. [네이버 지식백과] 전기자동차 [electric vehicle, 電氣自動車] (두산백과)
4. [네이버 지식백과] 축전지 [storage battery] (물리학백과)
5. https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1654208&cid=42330&categoryId=42330
6. https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741685&cid=60217&categoryId=60217
7. [네이버 지식백과] 리튬 이온 전지 [lithium-ion battery] (화학백과)
사진 출처
환경부 전기차 충전소
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1139392&cid=40942&categoryId=32360
G_P710_Optimus_L7_II_-_Li-ion_Battery_BL-59JH-0003.jpg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tesla_Motors_Model_S_base.JPG
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