지난 9월 개최된 제63회 독일 프랑크푸르트 오토쇼에 공개된 신차 82대 중 26대가 전기차였다. 세계적 자동차 업체들이 대부분 전기차를 선보였다는 얘기다. 아직은 시기상조라는 의견이 우세하지만, 내로라하는 자동차 업체들이 전기차 개발을 미룰 수 없는 과제로 인식하기 시작했다.
여러 시장조사 기관과 재계 주장을 종합해 볼 때, 향후 20년간 내연기관의 우위가 점쳐지나 장기적인 관점에서 전기차가 주류가 될 것임에는 의심의 여지가 없다주 1). 다만 그 과도기에는 마일드 하이브리드, 풀 하이브리드, 플러그인 하이브리드(PHEV) 또는 소형 연소 엔진인 레인지 익스텐더(range extender)를 앉은 전기차가 그 기술을 예비하게 될 것이란 주장이다. 어쨌든 앞으로 하이브리드나 전기차의 핵심 부품인 이차전지의 수요가 막대하리라는 것은 불 보듯 뻔한 일이다.

니켈에서 리튬으로

하이브리드 카든 전기차든 전기 에너지의 축적에는 높은 배터리 성능이 요구된다. 대부분의 자동차 메이커들은 에너지 축적에 리튬이온 기술에 의한 배터리가 가장 유망하다는 데 한목소리를 내고 있다. 하이브리드 카에 아직은 니켈수소(NiMH) 전지가 주로 사용되고 있지만, 니켈수소 전지는 더 이상 개발 여지가 없다는 입장이다. 반면, 리튬이온 기술은 중장기적으로 장래성이 클 것으로 기대하고 있다. 이런 기대는 리튬이온 기술이 제공하는 장점에 근거한다. 예를 들면, 니켈수소 전지에 비해 리튬이온 전지는 출력 밀도가 현저히 높다. 또한 높은 공칭 전압에 의해 보다 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 또 다른 장점으로는 높은 사이클 안정성과 긴 전지 수명, 극히 낮은 자기방전율(self-discharge rate) 등을 들 수 있다. 대체적으로 월 3~5% 미만의 자기방전율을 가지고 있기 때문에 전기차를 장기간 세워둘지라도 배터리 방전이 거의 일어나지 않는다. 더욱이 리튬이온 전지는 휴대형 가전 기기에서 이미 안정성이 입증돼 핸드폰이나 노트북, 전동공구 등에 광범위하게 사용되고 있다. 이런 특성에 비춰, 리튬이온 기술은 미래의 전기 구동장치를 위한 최적의 기술로 부각되고 있다. 물론 자동차용 배터리는 가전용보다 훨씬 까다로운 기준을 만족시키지 않으면 안 된다.
예를 들면, 무게 1톤의 전기차로 200 km를 달릴 경우에 필요한 배터리 출력은 35 kWh라고 한다. 이정도의 출력을 내는 배터리 가격은 현재 1 kWh 당 1,000달러이므로 3만 5,000달러라는 계산이 나온다주 2). 전기차를 대중화하는데 있어서는 지나치게 높은 가격이다.
최근 조사에 따르면, 운전자가 전기차에 요구하는 주행 거리는 적어도 200 km인데, 이 요구를 충족시키기에는 배터리 출력이 아직 너무 낮다. 또 다른 약점은 현재 공급되는 배터리의 내구성이 자동차보다도 떨어진다는 것이다.

출력과 에너지 밀도

하이브리드와 전기차는 에너지 밀도와 출력 밀도에 대한 요구가 다르다. 전기차는 장거리 주행을 위해 배터리에 축적되는 에너지량이 커야 하므로, 높은 에너지 밀도를 갖춘 배터리가 필요하다. 반면, 하이브리드 카는 출력 밀도가 중요하다. 짧은 주기에 대량의 에너지를 저장하고 방전하는 일을 반복해야 하기 때문이다. 현재 하이브리드 카용 배터리 셀은 비출력(specific power)이 3,000 W/kg, 비에너지(specific energy)가 약 85 Wh/kg이다. 전기차용 배터리 셀의 비에너지는 110 Wh/kg이다.
에너지 밀도와 출력 밀도를 향상시키기 위해, SB리모티브는 전지 화학재료의 최적화에 초점을 맞추고 있다. 이 회사의 목표는 2012년까지 하이브리드 카용 배터리 셀의 출력 밀도를 4,000 W/kg 이상, 전기차용 배터리 셀의 에너지 밀도를 150 Wh/kg 이상 높이는 것이다. 목표대로라면, 3년 이내에 리튬이온 배터리의 주요 성능 지표는 30~40% 개선된다.
미국 에너지국(U.S. Department of Energy, DOE)은 PHEV 및 EV용 배터리 팩의 에너지 밀도를 2014년까지 현재 3,400 Wh/80kg에서 11,600 Wh/120kg으로 개선할 계획이다.
하이브리드 카와 전기차 간에는 충전 사이클 요구도 다르다. 하이브리드 구동에 있어서는 출력 밀도가 결정적으로 중요하다. 짧은 시간 내에 대량의 에너지를 축적하거나 방출할 수 있어야 하기 때문이다. 이러한 에너지의 출납은 가감속 시 에너지 회생에서 특히 필요하다.
요하킴 페트제르 SB리모티브 부사장에 따르면, 하이브리드용 배터리의 부하를 줄이기 위해서 통상 실제로 사용되고 있는 것은 배터리 용량의 20％ 미만에 지나지 않는다. 충전과 방전을 빈번하게 반복하기 위해서, 하이브리드용 배터리는 그 수명 주기로 환산하면 100만 사이클을 초과하는 충전 사이클을 견뎌내도록 설계하지 않으면 안 된다. 반면, 전기차의 충전 사이클은 약 2,500~3,000사이클이 적정하다고 한다. 그러나 적절한 항속거리에 도달하기 위해서는 최대 충전과 최소 충전의 차이가 80% 정도 필요해, 배터리에 현저하게 부하가 걸려 소모가 빨라진다고 한다. 향후에는 두 배터리 유형 모두 배터리 수명과 자동차 수명을 맞출 필요가 있다. 즉, 12년 이상 또는 총 주행 거리 25만 km를 넘는 수명이 요구된다.
리튬이온 배터리에는 사람처럼 적정 온도 범위라는 게 있다. 배터리의 경우 적정 온도는 +15 ℃에서 +45 ℃이다. 그러나 자동차 내부 온도는 -30 ℃에서 +60 ℃에 이른다. 저온 시 배터리 출력은 감소한다. 반대로 온도가 상승하면 배터리 수명이 짧아진다. 따라서 정교한 온도 관리 설계가 중요하다. 이를 통해 경년열화(aging) 과정을 늦춰 배터리 셀의 수명을 연장시키고 사이클 안정성을 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 열관리도, 특히 냉각 시 에너지를 소비한다. 에너지 요구량을 감소시키기 위해서는 셀이 정상 동작하는 최고 온도를 높이는 방법이 있다. SB리모티브는 적절한 소재 선택과 셀 구조를 최적화하여 셀의 동작 온도 범위를 확장하는 데 도전하고 있다.

AEM_Automotive Electronics Magazine