최근 아랍권 국가들의 정치, 경제적인 불안은 안정 적인 원유공급에 차질을 빚고 있으며, 급기야는 전쟁 도 야기되는 상황으로 전개되고 있는 것이 현재 세계 가 직면하고 있는 현실이다. 유가의 지속적인 인상이 일시적인 공급 불안정으로 야기된 시장, 업계의 문제 등으로 인하여 일어났다고 가정하기에는 그 중요도가 극히 지대하므로 화석연료 공급의 안정성과 향후 가 격 추이 그리고 대체 에너지원 개발에 대한 세계 각국 의 관심이 집중되고 있는 상황이다. 특히 우리나라와 같은 자원빈국은 지금과 같은 고유가 시대에서 에너 지 절약을 위한 기술개발이 절박한 상황이다.
해결방안의 하나로서 현재 전 세계적으로 소비되는 석유에너지 사용량의 약 30%를 점유하고 있는 자동 차의 연비향상을 위한 방안이 일차적인 관심대상이 되고 있다. 연비향상을 이룸으로써 비용절감과 함께 배기가스 감소로 인한 대기오염감소, 지구온난화의 주범인 이산화탄소 등의 환경오염물질을 줄일 수 있 다는 것이 보다 중요한 점이라고 할 수 있다. 현재 우 리나라의 경우 전체 이산화탄소 배출량의 약 17.7%
가 자동차 배기가스로부터 배출되고 있는 실정이다.
따라서 미국, 일본 그리고 유럽의 선진국들은 천문학 적인 비용과 인력을 투자하면서 개발 중인 저배기가 스 그리고 고연비 차량으로는 하이브리드 전기자동차 가 실용적이고 단기적으로 실현가능한 기술적 특성을 가짐으로서 관심이 집중되고 있다.
에너지, 환경문제의 대두
현재 전 세계적인 에너지 소비량은 약 300 Exajoule (Exa는 1018을 뜻함)에 달하고 있다. 그 중 수소, 태 양, 풍력 등의 재생 가능 에너지원은 약 14% 정도이 고 나머지 대부분의 에너지 소비는 화석연료에 의존
하고 있는 실정이다. 따라서 미래의 에너지 정책은 기 존의 에너지원인 화석연료로부터 탈피할 수 있는 새 로운 에너지의 창출과 화석연료의 의존도를 줄이는 에너지절약형 기술개발을 목표로 방향을 전환하는 것 이 필수라 할 수 있다[그림 1].
환경문제 또한 전 세계적으로 화두가 되고 있어 향 후 개발되어질 기술은 환경친화적이어야 한다는 기본 전제를 만족시켜야 한다. 도시환경 오염의 주범으로 는 오존, 일산화탄소, 매연입자, 이산화질소 등이 있는 데, 이러한 오염물질은 자동차의 배기가스를 줄이거 나 없앰으로써 해결될 수 있다. 따라서 이른 바, Transition Low Emission Vehicle(TLEV), Low Emission Vehicle(LEV), Ultra Low Emission Vehicle (ULEV), Fuel Cell Powered Vehicle(FCPV), Zero Emission Vehicle(ZEV) 등이 친환경형 자동차로서 주 연구대상이 되고 있다. 이러한 친환경 차량들은 기 존의 내연기관 외에 부가적인 동력장치로서 이차전지 를 채용하는 하이브리드 전기자동차가 현실적으로 가 장 확실한 대안으로 고려되어지고 있으며, 장기적으 로는 연료전지자동차와 순수전기자동차를 기술개발 의 대상으로 삼고 있다.
김 재 국
전남대학교 신소재공학부, jaekook@chonnam.ac.kr
그림 1. 자원별로 구분한 세계 에너지 소비 현황.
욱이 충전 시간이 매우 길어 획기적인 기술의 개발이 없는 한 현실적으로 사용하기가 거의 불가능하다는 단점이 있다. 그래서 전기자동차에 발전소를 탑재한 다면 전체적으로는 전기자동차와 마찬가지의 저공해 가 된다는 발상으로 하이브리드 자동차가 등장하게 되었다.
1990년대 중반 들어 순수 전기자동차의 단점을 극 복하고 기존 내연기관차량에 비해 연료소비량을 크게 줄일 수 있는 하이브리드 자동차가 실현가능한 대안 으로 인식되면서 연구가 활발히 진행되고 있다. 경쟁 기술인 연료전지 전기자동차에 비해 배기가스 배출 등의 환경적인 측면에서는 다소 약점을 갖고 있지만 연료전지 기술이 아직 미약한 데다 비용도 매우 비싸 2010년 이후에나 시장에 본격 출시될 것이라는 전망 으로 인해 하이브리드 자동차는 과도기적 대안으로서 의 입지를 확고히 하고 있으며, 세계 주요 자동차 생 산업체들은 이미 하이브리드 자동차의 개발에 총력을 기울이고 있으며, 일부 업체는 이미 상용화 판매를 하 고 있는 상황이다.
현재 Honda의 “Insight”와 Toyota의 “Prius”가 시 장에 나와 있는 하이브리드 전기자동차이고, 미국의 General Motors, Ford 그리고 Daimler Chrysler 등의 회사들은 pickup트럭과 SUV에 고성능 전지를 탑재 한 하이브리드 전기자동차를 개발 중에 있다. 하이브 리드 전기자동차는 일반적으로 내연기관과 함께 정교 한 기술력을 바탕으로 개발된 전지를 에너지원으로 하는 전기모터를 탑재하고 있다. 운전상황에 따라 복 합적인 computer-based control system이 내연기관
과 전기모터의 동력을 관리함으로써 효율을 극대화하 면서 저 배기가스와 고성능을 실현시키고 있다.
Hybrid 전기자동차는 운전 중에 차량의 forward momentum에 의해 발전기를 이용한 동력의 발생으 로 가능하거나, 또는 brake조작 시 전기를 발생하며 충전하는 것이다. 후자의 경우를 “regenerative braking”이라고 부른다. 이러한 조작을 통해 일반적인 승용차에 비해 2~3배의 높은 연비를 실현시키고 있 으며, Honda의 “Insight” 하이브리드 전기자동차의 경 우 한번의 연료 보충으로 약 1,000km를 달릴 수 있다 [그림 2].
하이브리드 자동차는 엔진출력을 이용하여 발전기 를 구동하여 발생하는 전력으로 모터를 회전(시리즈 하이브리드)시키거나, 또는 엔진을 모터로 어시스트 하여 엔진에 걸리는 부하를 감소(패러렐 하이브리드) 시키는 형태의 운전방식을 취한다. 여기서 문제되는 것은, 엔진을 탑재한 하이브리드 자동차가 전기자동 차에 비해 어느 정도의 에너지 절약을 달성해 이산화 탄소를 비롯한 대기오염물질 배출량을 저감할 것인가 이다. 순수 전기자동차에서는 전기를 생산하는 화력 발전소의 발전효율과 전지의 충방전 효율, 모터의 효 율, 충전기의 효율, 송전효율 등을 고려하여 약 21%
정도로 알려져 있고 내연기관 자동차의 효율은 약 14%인데 반해 하이브리드 자동차는 부하의 변동폭을
그림 2. Honda의“Insight”하이브리드 전기자동차.
훨씬 적게 할 수가 있으므로 약 25%의 효율을 달성 할 수 있다. 이러한 잇점은 하이브리드 자동차는 전기 를 생산하고 송전하는 발전기를 탑재하고 있기 때문 에 송전손실이 적으며, 생산된 전력을 직접 모터에 공 급기 때문에 충방전에 의한 손실이 상대적으로 적기 때문이다.
하이브리드 전기자동차용 전지의 요구 특성 하이브리드 전기자동차는 사용하는 동안 계속적인 충방전과정을 거치게 된다. 즉, 하이브리드 자동차는 사용하는 동안 “regenerative braking”뿐 아니라 엔진 을 구동시켜 발전기로부터 나오는 전기를 이용하여 전지를 지속적으로 충전한다. 지속적으로 전지를 충 전시키는 것은 휴대용 전자기기나 순수 전기자동차와 같이 연속적으로 충전하는 방법과는 커다란 차이가 있으므로 하이브리드 자동차용 전지의 경우 요구되는 특성이 고용량 특성보다는 모터를 구동시키기 충분한 고율 고출력 특성이 요구된다. 동시에 수시로 발생하 는 “regenerative braking” 에너지를 효율적으로 받아 들일 수 있는 고율 충전특성(충전수입성)을 가져야 한다.
하이브리드 전기자동차용 전지는 완전히 충전되고 또한 방전되는 경우는 없다. 즉, 전지는 항상 고출력을 내거나, “regenerative braking”시 충전이 된다. 따라 서 전지는 항상 40~60% 정도의 충방전 상태를 유지
하여야 하는데 이러한 충방전 상태를 흔히 “sweet spot”이라고 하며 이는 하이브리드 전기자동차용 전 지만의 고유한 요구특성이다. 따라서 하이브리드 전 기자동차용 전지는 지속적인 충방전을 반복할 경우에 도 용량의 감소가 없이 안정적이어야 하며 동시에 차 량을 구동시켜야 하므로 고율방전특성이 좋아야 한다.
하이브리드 전기자동차용 전지가 실제 구동 중에 특성발현이 지속적으로 유지되기 위해서는 각 구성요 소 내부와 구성요소간의 저항이 낮아야 한다. 이는 고 율방전(약 30~40 C-rate)과 “regenerative braking”
시 충전을 실행할 수 있는 정도의 낮은 “impedance”
를 갖는 특성을 가져야 한다. 실제로 하이브리드 전기 자동차용 전지의 수명은 용량감소 때문이 아니고 장 시간 사용 중에 일어나는 “impedance” 증가에 의해 결정이 된다. 또한 휴대용 전자기기용 소형전지와 달 리 중대형 전지 규격이 요구되므로 전지의 제조비용 이 매우 저렴하여야 한다. 따라서 고가의 소재, 예를 들어 상용화된 양극소재인 코발트계 화합물은 채용하 는데 무리가 따르므로 저비용의 망간계열 화합물이 적합한 소재로서 연구되어지고 있다.
하이브리드 자동차용 전지의 개발동향
현재 상대적으로 저렴한 니켈-수소 전지가 주로 채 택되어 개발되고 있으나, 성능이 우수한 리튬이온 이 차전지가 향후 하이브리드 전기자동차용으로도 주력
그림 3. 망간계열 전극소재의 결정구조.
온 이차전지의 기술개발 추이 등을 감안할 때 상업화 시기는 더욱 앞당겨질 가능성도 있다.
특히, Shin-Kobe의 경우 망간계의 리튬이온 이차 전지 시스템을 개발하여 Nissan의 “Tino”(이미 일본 내에서는 시판중임)에 적용하여 사업화 추진 중이다.
고가인 코발트계 대신에 [그림 3]과 같은 망간계 전극소재를 채용한 결과 비용은 니켈수소와 거의 같 은 수준으로 낮추었고 전지의 중량도 순수전기자동차 의 10분의 1로 경량화 시킬 수 있었다. 배터리의 중량 은 43kg 정도이며 정격전압은 345V, 출력은 25kW.
주행 때는 300~ 400V 사이로 관리되고 330V 이하 가 되면 엔진이 자동적으로 시동해서 충전을 시작한 다. 리튬이온 이차전지 시스템은 용량과 전압의 관계 가 확실해 하이브리드 전기자동차의 중요한 과제인 SOC(충전상태)관리가 정확해졌다. 96개의 모든 셀은 각각 충전상태가 감시되고 셀 컨트롤러에 셀 자체에 충전량을 바꿔줌으로써 균등한 상태가 되도록 관리되 며 니켈수소를 채용한 Toyota의 “Prius”의 전지의 수 는 240셀이지만 Nissan의 “Tino”는 셀수가 적어 출력,
하이브리드 자동차용 전지로서의 리튬이온전지의 전망
리튬이온 이차전지를 하이브리드 전기자동차용 전 지로 본격적인 채용을 위해서는 몇 가지의 개발, 개량 을 해야 할 필요가 있다. 첫째 저가형 소재개발기술의 확립이다. 경쟁기술인 니켈수소 등의 이차전지에 비 해서 전지를 구성하는 구성요소(양극소재로 코발트계 산화물, 세퍼레이터, 전해액, 음극소재로 흑연계 탄소 등)가 고가이기 때문이다. 특히, 코발트는 희소원소로 고가이기 때문에 이것을 망간화합물(LiMn2O4)로 대 체하는 연구가 더욱 더 지속적으로 행해져야 하는데 다행히 앞에서 설명한 바와 같은 기술개발이 이루어지 고 있어서 희망적이라 할 수 있다. 망간화합물 (LiMn2O4)은 코발트나 니켈화합물과 비교하면 용량 이 20%정도 낮은 것과 전해액에 Mn이 조금씩 용출 하기 때문에 싸이클특성이 나쁜 문제도 가지고 있으 므로 스피넬계 망간화합물의 특성향상과 함께 비스피 넬 구조를 갖는 전극소재의 개발도 검토되고 있다. 한 편, 리튬은 광석 또는 고농도의 리튬을 포함한 지하수 로부터 채취되고 있지만 궁극적으로 저가의 안정적인 리튬의 공급을 위해서는 해수중의 리튬을 이용하기 위한 농축기술 개발을 통해 해수로부터 리튬을 효율 적으로 채취하기 위한 기술개발이 필수적이다. 또한 리튬전지의 고용량화를 위해 기존음극소재인 탄소재 료의 성능향상과 함께 새로운 음극소재에 대한 연구 도 병행되어야 한다. 전해액을 유기용매로부터 고분 자화화합물로 전환하려고 하는 연구를 통해 하이브리 드 전기자동차용의 중대형 전지의 필수요구 특성인
Compact Lithium-ion Battery
Hydrogen Tanks Inverter
Motor Fuel Cell Stack
그림 4. Nissan의 하이브리드 자동차(2003년형 X-Trail FCV).
안전성의 비약적 향상을 이뤄야 한다.
현재 세계는 환경 친화적 에너지 개발을 위해 지속 적인 투자를 하고 있으며, 이러한 기술 개발에 있어서 새로운 재료나 새로운 합성기술의 개발은 필수 불가 결하다고 할 수 있다. 이러한 기술개발을 통해서 최적 화된 화학적 조성, 결정 구조와 입자의 morphology 등을 선택적으로 조절하여 응용할 수 있게 된다. 이러 한 관점에서 새로운 재료기술 개발을 위한 물리, 화학, 그리고 재료과학의 복합적인 학제간의 연구능력이 요 구되고 있으며 전극소재의 설계와 합성에의 에너지 준위고찰을 통한 새로운 소재설계기술이 하나의 대안 으로 연구되고 있다.
하나의 예로서 [그림 5]의 에너지 준위의 도식도에 서 lithium과 천이금속이온의 전위차(Fermi Energy 의 차이)로부터 전지의 전위차를 유추해 볼 수 있으 며, 또한 천이금속의 redox couple과 oxygen 2p 밴드
사이의 에너지 갭으로부터 특정한 전극 재료의 전기 전도도를 알아 낼 수 있다는 것이다. 더욱이, 이러한 에너지밴드로부터 설계하고자 하는 새로운 물질의 합 성 가능성에 대한 정보를 얻을 수 있다. 예를 들면, nickel이온의 3+/4+ redox couple은 oxygen 2p 밴 드와 겹치게 되므로 전자이동이 nickel이온과 lithium 이온간에서 이루어지지 않고, 대신 nickel이온과 oxygen 2p 밴드사이에서 일어남으로 O2-가 전자를 얻음으로 인해 일부 O2 가스로 되어 기상으로 분해 된다. 그러므로, NiO2의 합성은 불가능함을 알 수 있 고, 동시에 LiNiO2가 전극재료로써 충전되면 nickel이 온이 4가 이온이 됨과 동시에 oxygen 2p 밴드와의 반 응으로 가스를 발생하게 됨으로 매우 위험한 상황이 됨을 알 수 있다. [그림 5]는 다양한 전극재료의 전위 차와 함께 해당되는 몇몇 재료의 redox couple을 나타 내고 있다.
