전기차를 움직이는 원동력에서 80%이상 성능을 배터리가 좌우하기 때문에 부피는 적고 상대적으로 많은 양의 전기를 저장하는 고밀도 융합기술 개발은 아주 중요하다.

일단은 핵심부인 고성능 배터리가 양산돼야만 고성능 전기차 탄생기반도 마련되기 때문에 폭발과 화재위험은 낮고 고열과 고온 등의 영향을 적게 받는 소재 특성과 제품개발은 필수요소가 된다.

아직은 ‘리튬이온 배터리’가 꿈의 배터리 명성 유지와 함께 스마트폰과 노트북을 초월한 전기차 전용 배터리의 유일성을 고수하고 있는 상황이다.

탁월한 배터리 등장이 지연되면서 1회 충전 가능 주행거리가 도토리 키 재기식 성능 기준으로 자리 잡다 보니, 일부 차량 제조사와 배터리 메이커가 최대 충전 수치를 높이는 방법을 사용하다가 무리한 설계로 인한 전기차 폭발과 화재 사고가 있었다.

그래서 먼저, 무공해 차량에 적용되고 있는 3종의 배터리 성능과 가격, 안전성을 비교해 본다.

배터리의 주성분과 소재에 따른 성능을 비교하면 저렴한 가격만큼 부피와 중량 면에서 모두 하위급인 니켈 카드뮴 배터리는 비지떡 표현이 적합할 정도로 퇴출됨이 마땅하다. 반드시 완전 방전 상태에서 충전하는 규정을 지켜도 전기 비축량은 적고 방전이 빠른 단점 때문이다.

그러다 보니, 아직은 성능보다 가격대가 높은 ‘리튬이온 배터리’를 스마트폰과 노트북을 비롯한 전기차에 군림하는 현실이지만 애플의 맥북과 맥북 프로 노트북에는 비싼 가격만큼 성능과 안전성 면에서 한 단계 위인 ‘폴리머 배터리’를 사용하고 있다.

‘폴리머 배터리’의 특성으로는 액체 전해질 대신 고체 또는 젤 형태의 고분자 중합체 대체효과로 누액에 의한 폭발 위험성을 감소시킨 점과 얇은 형상은 물론 다양한 모양 가공 성형공정 또한 손꼽을만한 개가지만, ‘리튬이온 배터리’보다 비싼 가격은 단점이자 흠이다.

용량이 큰 장점과 준 고체상태 전해질 용액의 특성 차이점은 작은 배터리가 장착되는 스마트폰 보다는 전기차에 더 실용적인 요소라 생각되지만, 아마도 ‘리튬이온 배터리’는 전기차 배터리 시대와는 안 맞는 것 같다.

폭발과 화재 노출 책임 공방도 중소 전기차 산업의 발목을 잡고 있다. 대기업에서 제조한 작은 셀을 연결하는 방법으로 배터리를 직접 완성해서 전기 이륜차와 차량에 활용하는 데도 만일의 사태 책임은 셀을 만든 기업이 아닌 구입해서 연결 사용한 곳으로 전가되고 있기 때문이다.

‘리튬이온배터리’를 완성하는 공정은 배터리 셀들을 하나하나 연결하는 모듈 공정을 거치고, 이 모듈을 모아서 일종의 팩 상태로 만드는 것으로 구성된다. 전기차에는 이런 팩을 다시 수십 개에서 많게는 수천 개로 묶고 연결해야 차가 요구하는 출력을 낼 수 있다.

그런데도 배터리 문제 대부분은 마치 원인 규명이 안 되는 급발진 사고처럼 화재와 폭발 원인자를 배터리를 만든 업체로 돌리고 있다.

이 현실이 빚는 위험요인은 자칫 소비자에게 전가될 수 있지만 비싼 가격을 문제로 삼는 현시점에서 볼 때 ‘폴리머 배터리’ 시대는 도래하지 않을 것이라는 거다.

서두에 지적한 정상 충전 레벨을 넘기도록 프로그램한 원인이 전기차 화재 로 이어졌다는 지적에도 아랑곳없이 배터리 셀을 만든 제조사가 책임진 만큼 앞으로는 이런 배터리 사고는 정확한 원인 규명을 토대로 책임 한계를 구분해야 한다.

또 하나는 약 500회 충전 이후부터 배터리 성능이 급격하게 떨어지는 게 리튬이온배터리의 단점인 수명인데도, 전기차 메이커들은 배터리 성능 10년 보장을 선언하고 있는 것도 이상한 현상이다.

충·방전 능력을 현격히 떨어뜨리는 메모리 영향을 받지 않는 이온 배터리라도 충전과 방전에 따른 노화를 맞게 되고, 수많은 셀 중에서 성능이 가장 저하된 배터리 위주로 충전 양이 정해지는 문제 또한 숙제다. 이는 단순 업그레이드가 아닌 완벽 해결이나 ‘전고체 배터리’ 등 새로운 배터리 출시 전에는 단지 수명 연장에 불과할 것이라는 예상이다.

한 마디로 방전 셀 충전을 늘리는 액티브나 용량을 통일시키는 패시브를 통해 불균형을 교정하는 ‘셀 밸런싱’이 배터리 용량을 극대화하는 단편적 보호 측면도 있겠지만, 한국에너지공단이 공언한 10년 수명에서 하나씩 쇠약해지는 셀에 의해 기력이 상쇄되는 노화현상은 중단하기 어렵다고 본다.

따라서 3개월 이상 이어지는 겨울철 혹한의 히터 가동보다 더 많은 전력을 소모하는 에어컨 가동이 필수인 또 다른 하절기 3개월의 비교 성능은 매우 중요하다. 이는 배터리 성능을 극도로 약화시키는 계절 특성에 따른 주행 성능 실험방법과 표기도 달라져야 한다는 뜻이다.

환경부도 맹추위로 저하되는 배터리 성능실험 온도를 영하 7℃가 아닌 영하 22℃로 낮추고, 한여름 폭염 대비 에어컨 가동기준도 실내 자동온도를 영상 24℃로 유지하는 개선된 기준을 적용하고, 중요 부품에 대한 무상보증수리를 비롯 전기 이륜차의 성능 표기 또한 주행거리 위주로 바꿀 방침이다.

​전기차와 전기 이륜차 성능을 평가하는 기준과 실험방법이 이제야 자리를 잡아가는 상황에서도 세계국가들은 전체적인 무공해차에 내재된 다양한 이면을 못 보거나 직접 가리면서 너무 앞만 보는 형국으로 가고 있는 것으로 보인다.

탄소중립 분위기를 너무 의식한 것으로 이해되는 자동차 종주국들의 요즘 추세는, 일단 체면을 뒤로 한 채 ‘엔진 없는 자동차’인 전기차 생산 ‘올인’을 발표했고, 이런 편승은 배터리 개발 경쟁을 시시각각 더 치열하고 뜨거워지게 몰고 가는 형국이다.

전기와 수소에너지 차량의 에너지 공급과 운영 등 무공해에 가려진 전반적인 이면들을 하나하나 들춰 보겠지만, 먼저 배터리 쪽을 본다면, 지난 7월 15일 KIST 보도자료에 의한 오보는 해프닝 아닌 망신을 이었다.

당시 한국과학기술연구원(KIST)은 앞으로 배터리 성능을 대폭 향상할 수 있는 2.6배의 용액을 개발했다는 게 골자인데 배터리 용량이 2.6배 늘어난 배터리 개발기술로 와전될 만큼 목마른 현실을 드러낸 것과 다름없다.

치열한 격전 속에서 각국은 현재 새로운 물질을 응용한 배터리 개발에 주력하고 있는 한국 등 몇몇 개발기업은 신제품을 선보이면서 일부 전기차 메이커는 이 신개념 배터리로 성능을 대폭 개선했다고 발표했다.

지난주 고성능 특수 소재 제조 분야를 선도한다는 유니프랙스(Unifrax)가 이번 주 미시간주 노바이에서 열리는 배터리 쇼에 혁신적인 실리콘 섬유 양극재 배터리(SiFAB™) 기술을 선보인다고 공표했다.

올 초 SiFAB를 출시한 유니프랙스는 9월 14일에서 16일 개최되는 서버번 컬렉션 쇼플레이스의 ‘배터리·전기차 & 하이브리드차 기술 엑스포’에서 기술 프레젠테이션과 전시회를 통해 새로운 실리콘 섬유 기술을 소개한다.

유니프랙스 수석 과학자 겸 소재 연구 매니저 브루스 조이토스(Bruce Zoitos)는 “다양한 배터리 시스템에서 유망한 성능을 보인 SiFAB의 고도화된 실험데이터를 발표할 예정이라”고 전했다.

고용량의 성능을 포용한 특별한 구조의 SiFAB는 리튬 이온 배터리 시스템의 에너지 밀도를 더 높여주고 안전 성능도 배가시키는 역할을 하게 될 실리콘(Si) 40% 이상을 점진적으로 적재시키는 시험을 성공적으로 완료했다고 덧 붙였다.

리튬 이온 배터리 에너지 밀도가 훨씬 더 높은 SiFAB는 전기차와 휴대용 전자 제품을 비롯한 전력망 규모 에너지 저장 장치와 항공우주 등 다양한 분야에 활용될 경우 더 빠른 충전과 더 긴 배터리 수명을 보장한다고 했다.

빠르면 2022년 초 통합될 수 있는 드롭인(drop-in)의 제공 가능성이 점쳐지고 있다. 드롭인 솔루션으로 더 우수하고 더 오래가는 애플리케이션이 가능해질 것이라고 설명했다.

2021년 진행된 고도화된 테스트에서 입증된 SiFAB의 특징은 1000mAh/g 이상의 가역 용량에서 흑연에 대비한 중량 측정 에너지 밀도가 최대 20% 개선됐고, 최대 4C에 달하는 고속 충전과 방전 기능은 45°C의 고온 상태에서도 변함없다고 했다.

SiFAB 제조라인이 신설된 인디애나는 2022년 초 수십 미터톤을 생산하고 2023년에는 수백 미터톤을 생산한다는 계획에 따라 곧 고객을 맞는 현실이 다가온다고 했지만 우리나라에서도 3개의 전문기업 공조로 비슷한 배터리 시제품을 출시하는 단계에 도달했다.

이 차세대 배터리도 실리콘 음극재 대체기술이 일궈낸 흑연(360mAh/g) 대비 11배 이상의 용량(4,200mAh/g) 확대가 주도하고 있다. [교통뉴스=김경배 전문위원]