차세대 배터리 현황 46800 배터리와 전고체 배터리
현재 기존 리튬이온 액체 전해질 배터리를 바탕으로 한
테슬라의 46800 원통형 배터리와
일본자동차 기업들 (도요타)를 비롯한 한국의 배터리업체들
선진국 스타트업 ( 퀀텀스케이프)들의 전고체 배터리 개발로
차세대 배터리 경쟁이 치열합니다.
테슬라의 46800 원통형 배터리의 상용화에 성공할때의 파급과
많은 업체들에서 개발중인 전고체 배터리가 실제 상용화에
성공했을때 어떤 산업 파급효과가 있는지 살펴봅시다.
현재 배터리 개발 프로세스상 이미 21700 원통형 배터리는 대중화되어
테슬라에서 많이 쓰이고 있습니다.
46800 배터리는 상용화 자체는 상당한 확률로 수년내로 곧 등장할것으로 보입니다.
46800 배터리의 냉각문제와 생산에 있어서 대량생산 수율 확보할수 있는가가
문제이긴 하지만, 넘지 못할 허들로 보이진 않습니다.
반면에 전고체 배터리는 실험실수준의 작은 코인형 배터리에서는 많이 실증해 보이고있으나,
실제 대량 양산이 가능한지, 내구성과 충방전을 지속할시 생기는 많은 문제들을
아직도 여전히 해결되지 못한것으로 알려져있어서 대량생산을 통해서 시장에
선보일 시기가 언제될지 장담하기 힘듦니다.
일단, 테슬라의 46800 원통형 배터리 부터 살펴보자면,
46800 배터리는 테슬라의 새로운 전기차 플렛폼
이런바 배터리 모듈- 차량프레임 일체화 기술로 기존 21700 원통형 배터리보다
상당한 에너지 밀도를 가질것으로 보입니다.
테슬라에서 밝힌바에 의하면 주행거리가 약 15~20% 사이로 늘어날것으로 보입니다.
이 46800 배터리가 성공해야만 향후 사이버트럭이나 세미카고 트럭이 성공할것으로 보입니다.
기존 21700 배터리로는 사이버 트럭이나 세미트럭과 같은 대형 화물트럭류에서는
배터리 무게 대비 에너지 밀도가 너무나 비효율적이라 차량의 주행가능 거리가
모델 S, 모델3 에 비해서는 형편없어 지기 때문입니다.
현재 테슬라 공식홈페이지에 적힌 상세 스펙을 보면
사이버 트럭의 경우 듀얼모터 300마일 (480키로미터)
트라이모터 500마일 (800키로미터) 이상을 주행가능하다고 합니다.
이는 현재 21700 배터리로는 도달하기 어려운 수준이며,
향후 46800 배터리가 필수적으로 성공해서 도입되어
차량에 장착되어야만 도달가능한 주행거리 입니다.
또한, 테슬라 세미트럭의 경우 큰 화물을 운송해야할 카고트럭이므로
더욱더 에너지 밀도가 높은 신형 배터리가 필요한것입니다.
21700 배터리 시스템으로는 100km 이내 근거리 화물만 겨우 가능한것으로
알려져있습니다. 그것도 무게가 많이 나가는 화물은 더욱더 주행거리가
얼마되지 않는것으로 알려져있습니다.
하지만 46800 배터리 시스템이 장착되면 200~300km 정도의 도시간 운송도
가능해지리라 예측되고 있습니다.
이제 다른 배터리 업체가 사활을 걸고 개발중인 전고체 배터리에 대해서
알아 보겠습니다.
전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 대비해서
액체 전해질이 없다는것이 가장 큰 차이점이며,
고체 전해질이 분리막 역할도 하게 되어 분리막도 필요없다는것이
큰 구조적 차이점입니다.
기존 리튬이온 배터리는 음극과 양극이 리튬이온을 주고 받으며
충전과 방전 사이클을 가져갑니다. 이때 양극과 음극이 직접 닿게되면
순간 에너지가 모두 방출되어 화재나 폭발이 일어나므로
이 사이를 분리막이 막아줘야합니다.
분리막이 양쪽을 막지만, 리튬이온만은 통과 시켜야합니다.
이러한 분리막은 기술적난이도가 있는 물질이며,
구조적으로 리튬이온을 통과시켜야할 정도로 얇아야 하므로
견고하기가 어렵습니다.
만약 이러한 분리막이 외부 충격이나 배터리 자체 내재적 요인으로
파손되기 쉬우며, 이것은 리튬이온 배터리의 가장 큰 단점이 됩니다.
최근 전기차량의 화재가 문제되고 있는것도 이러한 부분입니다.
전고체 배터리는 이러한 근본적인 문제에서 자유롭습니다.
분리막이 없으며, 분리막의 역할을 고체전해질이 대체합니다.
액체전해질이 없고, 고체 전해질이기 때문에 누액과 분리막 손상으로
인한 양극 음극 단락문제로 인한 화재, 폭발 확률이 훨씬 적어집니다.
리튬이온 배터리의 분리막 보다는 전고체 배터리의 고체전해질이
훨씬 견고하기 때문입니다.
현재 고체전해질 물질은 대표적으로 황화물, 산화물 , 고분자 물질등
여러가지 후보물질로 계속 연구중인것으로 보입니다.
이러한 고체전해질이 액체전해질을 대체하게 되면 에너지 밀도를 대폭 높일수있는데
이는 폭발이나 화재의 위험성이 대폭 사라져서 안전성과 관련된 부품들을 줄이고
그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채울수 있기 때문입니다.
향후 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템에서 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다는것입니다.
아직 연구단계이기는하나 기존 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 250Wh/㎏ 수준인 반면
전고체 전지는 이론적으로 500Wh/㎏까지 이상까지 에너지 밀도가 가능하다고 합니다.
에너지 밀도가 2배이고, 배터리를 좀더 효율적으로 배치할수있다는것 까지 감안하면
주행거리는 2배~3배 이상까지 늘어날것으로 보입니다.
내연차량보다 주행거리보다 오히려 더 먼거리를 갈수있을것으로 보입니다.
전고체 배터리는 또한 충전에 있어서도 기존보다 매우 빠른 속도가 가능하다고 합니다.
다만, 아직은 전고체 배터리가 충전중 느려지거나 효율이 떨어지는 문제가 있어서
좀더 연구가 필요하다고 합니다.
이러한 혁신적인 전고체 배터리가 상용화되어 대량 양산되면 어떤 파급효과가 있을까요?
기존의 승용차에서는 물론이고 많은 운송분야 및 전자기기에서 혁신이 일어날것으로 보입니다.
우선 테슬라의 세미트럭에서와 같은 대형 운송차량은 이제 먼 장거리 도시간 운송도
본격적으로 가능할것으로 보입니다.
뿐만 아니라 기차도 배터리전기기차로 아주 대중화 될것으로 보입니다.
기존 전철을 비롯한 전기로 가는 기차들은 철로를 따라서 전력설비를 같이 깔아야해서
엄청난 건설비와 유지비가 필요했으나,
이제 고밀도 배터리를 장착한 기차는 오직 지나다니기 위한 철로만 깔고 전력설비는
필요없어지므로 엄청난 건설비와 운영비가 절감될것입니다.
다양한 형태의 철로와 기차가 창의적 아이디어로 나타날것으로 보입니다.
선박도 전기로 가는 선박이 선보일 가능성이 있습니다.
현재 전세계적으로 온실가스 감축은 선박도 예외일수는 없는데,
선진국을 중심으로 이러한 선박에도 친환경 규제가 높아질것으로 보입니다.
모터와 배터리 중심으로 움직이고 선박의 상부 구조물에는 태양광전지를
깔아놓는 미래형 선박도 예상해 볼수있습니다.
전기로 움직이는 비행기도 생각해볼수 있습니다.
지금도 전기모터와 배터리로 날아가는 비행기는 있습니다만,
소형 실험기 수준의 비행기이고 비행가능 시간과 거리가 극히 짧습니다.
전고체 배터리는 향후 전기모터와 제트엔진이 혼합된
하이브리드 비행기 개발이 가능하게 하는 기술이 될것입니다.
하이브리드 비행기는 높은 효율로 항공유를 적게 소비하며
항공기 소음도 획기적으로 줄일것으로 보입니다.
항공드론도 운항 시간이 엄청나게 향상이 됩니다.
개인용 및 상업용 드론들은 체공시간이 낮은게 단점이었으나
이제 30분 이상 1시간의 장기 체공이 가능해서
활용도가 훨씬더 넓어지고 더 넓은 지역과
더 먼 거리까지 활용할수 있을것입니다.
전고체 배터리는 또한가지 의외의 곳에서 굉장한 수요처가 있습니다.
바로 군사용 무기 및 군용 운송체제 분야입니다.
특히 잠수함은 매우 중요한데,
기존 디젤잠수함은 원자력 잠수함보다 디젤엔진을 돌리기 위해
일정기간 수면 부상이 필수적입니다. 전고체 배터리가 장착된 잠수함은
배터리에 훨씬더 많은 전기 에너지를 충전해 놓을수 있어서
더욱더 오랜 시간동안 수면위 부상없이 잠항하여
잠항시간과 거리를 획기적으로 늘릴수있습니다.
미래에 가정용 로봇이 생긴다면 전고체 배터리는 필수일것입니다.
가정용 로봇은 안정성이 최고로 중요시 되는데 전고체 배터리는
화재와 폭발위험이 매우 낮아서 가정용으로 딱 알맞습니다.
요즘 각광 받고있는 수소 연료전지도 가정용 로봇에게는 사용하기 힘듭니다.
사람이 사는 방안과 거실에 있어야할 가정용 로봇이
수소탱크를 장착하고 있을수는 없는 노릇이기 때문입니다.
그외 많은 분야에서 전고체 배터리는 혁신적인 변화를 일으킬것으로 보입니다.
사실 그동안 배터리 분야는 다른 기술적 발전에 비해서 에너지 밀도가 드디에 향상되어
기술적 병목 구간으로 작용하는 분야였기 때문입니다.
인류가 전고체전지를 활용하여 전기를 좀더 효율적으로 대량으로 저장할수있게되면
그 동안 우리가 상상하지 못한 곳에서 상상하지 못한 서비스와 기기가
탄생할것으로 보입니다.
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