[사이언스리뷰] 친환경 전기차 시대를 꿈꾸며

전기차 확산불구 아직 갈길 멀어
고성능 배터리 개발이 급선무

친환경 전기차는 동력원으로 휘발유, 경유를 사용하는 피스톤·실린더 타입의 내연기관 대신 전기 충전만으로 차체를 움직이게 하는 배터리를 사용한다. 

김광선 한국기술교육대 교수·기계공학

우리나라 대기오염의 35%가 휘발유, 경유를 사용하는 내연 기관차에 의해 발생하고 있다 그러므로 배터리를 장착한 전기차를 도입하면 대기오염을 35% 줄일 수 있게 된다. 최근 적은 수이지만 서울을 비롯해 일부 지방자치단체에서 친환경 전기차의 도입을 적극 장려하고 있다.

제주도의 경우 전기차는 600여대로 전국에서 판매한 양의 24%가 그곳에 있다고 한다. 제주도는 2015년 전국 판매량의 50%에 해당되는 1500대를 구입하고 장기적으로 모든 내연 기관차를 친환경 전기차로 대체하겠다는 구상이다. 제주도와 대한민국 전국에 100% 친환경 전기차 시대가 올 수 있을까.

국내 배터리 생산업체인 삼성SDI의 최근자료에 의하면 전 세계 전기차 시장 규모는 2013년 22만대에서 올해 36만대, 2020년 232만대로 전망된다. 향후 7년간 연평균 성장률 40%대의 고성장을 예고하고 있다. 그러나 현실은 예산에 충분히 여유가 있더라도 전기차가 꺼려지는 이유는 바로 배터리 충전의 불편함 때문이다. 현재 판매되는 순수 전기차의 평균 1회 충전시간은 6시간에 주행 가능 거리는 171km이다. 2010년 117km에 비해 큰 폭으로 개선됐으나 내연 기관차 1회당 주유시간 6분에 600km 이상 주행하는 편리함에 비하면 갈 길이 멀다. 전기차가 보편화되려면 배터리의 성능이 더욱 개선돼 고속 충전으로 시간을 줄여야 하고 배터리 팩 자체를 신속하게 교체하는 표준화 시스템 개발 등이 필요하다.

배터리를 충분히 사용해 완전히 방전돼도 계속 충전해 사용할 수 있는 배터리를 2차 전지라 한다. 기존의 노트북, 휴대폰, 스마트폰에서 사용되는 2차 전지가 우리가 항상 접하고 있는 소형 배터리이고 이것도 계속 사용하면 성능이 저하돼 시간이 갈수록 점점 더 자주 충전해야 한다. 이러한 불편함 때문에 사용자는 결국 새 배터리로 교체하게 된다.

전기차 배터리는 용량이 많아서 중대형 배터리로 분류된다. 소형 배터리에 대한 우리나라의 연구는 세계 최고 수준으로 산업계를 중심으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.

전기차와 에너지저장장치(ESS)의 중대형 배터리 생산기술도 소형 배터리 제작기술을 바탕으로 관련 업계에서 급격히 성장하고 있으며, 정부도 2020년까지 총 15조원의 자금을 투자해 우리나라를 2차 전지 생산 세계 1위 국으로 키운다는 방침이다.

배터리 성능 개선을 위한 연구개발 분야는 배터리 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)과 배터리 관리시스템(BMS)으로 나뉜다. 셀은 음극판, 전해질, 분리막, 양극판으로 구성돼 전기에너지를 화학에너지로 바꾸고 다시 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜, 충전과 방전을 반복 가능하게 해주는 배터리의 기본단위이다.

화학에너지가 전기에너지로 모두 변환돼 수명을 다하는 1차 전지와 비교하면 부품소재 면에서 다르다. 충전을 단시간에 진행하고 방전은 서서히 되면서 양극의 전압차를 크게 해주는 네 가지 부품의 소재기술 개발이 핵심 미래기술이다. 여러 개의 셀 단위 배터리를 직렬로 연결해 큰 전압차를 만들기 위한 단위가 모듈이며 여러 개의 모듈을 다시 연결해 팩으로 만들어 전기차가 주행 중 진동이나 충격, 열, 먼지 등 다양한 도로조건에 견딜 수 있도록 해야 한다. 수십에서 수백개의 셀로 구성된 팩은 전자회로로 구성된 BMS에 연결돼 전압, 전류, 온도, 그리고 전기용량이 수시로 체크되며 배터리의 노화 등으로 인한 팩 성능의 저하를 최대한 줄이면서 과열 등으로 인한 배터리의 폭발 등을 미리 방지할 수 있어야 한다. BMS 내부에 배터리 건강상태(SOH)를 체크하는 인텔리전트 알고리즘도 한창 개발 중이다.

바야흐로 친환경이 중요시되는 시대다. 전기차는 매연이 없어 친환경 무공해 자동차다. 배터리의 성능과 활용이 더욱 편리하고 스마트하게 진화돼 새로운 친환경 전기차가 한반도 거리를 쌩쌩 달리는 날이 빨리 오기를 고대해 본다.

김광선 한국기술교육대 교수·기계공학