전기車 상용화 시대 열리나

전기車 상용화 시대 열리나

GM "내구성24만Km 배터리 2010년까지 개발"
고유가 위기 극복 차세대 자동차로 새롭게 조명
'리튬 망간 산화물' 활용 배터리 안전·출력 업그레이드
2년간 성능 테스트 거쳐 상용모델 론칭 계획

서울경제 파퓰러사이언스 11월호 www.popsci.co.kr

고유가 기조와 함께 21세기 에너지 패권의 시대를 맞아 전기자동차가 다시 주목 받고 있다.
하지만 눈부신 기술의 발전에도 불구하고 전기자동차는 아직 상용화라는 최종 장벽을 넘지 못하고 있다. 휘발유 자동차와 경쟁할 수 있을 만큼 저렴하고, 안전하며, 강력한 배터리가 개발되지 않은 것. 과연 이른 시일 내 이 같은 배터리 확보가 가능할까. 플러그인 하이브리드 자동차 시보레 볼트에 사운을 걸고 있는 GM은 그렇다고 말한다. GM은 전사적 연구 역량을 모아 오는 2010년까지 10년, 24만㎞의 내구성을 보장하는 배터리를 개발할 계획이다.

◇전기자동차의 부활
전기에너지로 구동되는 전기자동차는 최초의 내연기관차인 휘발유 자동차보다 50여년이나 역사가 길다. 지난 1835년 네덜란드의 크리스트 파벡카에 의해 첫 선을 보인 것. 하지만 한 시대를 풍미했던 전기자동차는 내연기관 자동차 기술이 급속히 발달한 1930년대 들어 경쟁력을 잃기 시작했다. 점차 무대 뒤로 사라진 것.

이렇게 완전히 퇴출될 것 같았던 전기자동차가 최근 부활의 조짐을 보이고 있다. 고유가 위기를 극복할 차세대 자동차로 가치가 새롭게 조명되고 있는 것.

사실 전기는 현재 휘발유를 가장 신속하게 대체할 수 있는 에너지의 하나다. 이미 관련 인프라가 완비돼 있고, 가격도 휘발유보다 저렴하다. 또한 천연가스ㆍ석탄ㆍ원자력ㆍ수력ㆍ태양열 등 어떤 에너지로도 생산될 수 있다. 이뿐만이 아니다. 전기자동차는 휘발유 자동차의 최대 단점인 유해가스 배출량도 현격히 줄일 수 있다. GMㆍ폭스바겐ㆍ현대자동차ㆍ닛산ㆍ도요타 등 대다수 완성차 메이커들이 아직 미래 자동차 단계에 머물러 있는 수소자동차에 앞서 2~3년 내 전기로 구동되는 플러그인 하이브리드 자동차의 출시를 천명한 이유도 여기에 있다.

플러그인 하이브리드 자동차는 일반 가정의 전기 콘센트에 플러그를 꽂아 배터리를 충전한 후 그 에너지로 전기모터를 돌려 바퀴를 구동하는 자동차다. 일견 하이브리드 자동차와 흡사하지만 전기가 주 동력원이고, 내연기관 엔진이 보조 동력원이라는 점에서 전기자동차 시대를 본격적으로 열어젖힐 모델로 업계의 주목을 받고 있다. 특히 GM은 자사의 플러그인 하이브리드 자동차인 시보레 볼트에 기업의 명운을 걸고 2010년까지 상용모델 론칭에 전사적 연구 역량을 집중하고 있다.

◇상용화의 아킬레스건
하지만 업계의 기대와 달리 전기자동차의 상용화 가능성은 다소 불투명한 상태다. 비약적 기술 발전에도 불구하고 과거 전기자동차 몰락의 단초가 됐던 배터리 성능 문제가 지금껏 아킬레스건으로 남아 있기 때문이다.
현존하는 최강의 플러그인 하이브리드 자동차 배터리로 꼽히는 GM 시보레 볼트의 리튬이온 배터리조차 1회 충전 후 주행할 수 있는 거리는 단 64㎞에 불과하다. 반면 중량은 무려 180㎏에 달한다. 물론 이는 1996년 GM이 개발한 EV1 전기자동차의 납산 배터리에 비해 270㎏이나 가벼워진 것이다. 하지만 휘발유 자동차와 경쟁하기에는 모든 면에서 역부족인 게 사실이다. 가격 또한 1만달러에 육박, 시장성을 갖추기 어려운 수준이다.
더욱이 리튬이온 배터리는 과열ㆍ과충전 등의 상황에서 열 폭주(thermal runaway)라고 불리는 폭발사고를 유발할 수 있다. 이를 막는 길은 배터리의 양극에 쓰이는 리튬 코발트 산화물을 대체할 신물질을 찾아내는 것뿐인데 이것이 결코 말처럼 쉽지 않다. 즉 플러그인 하이브리드 자동차 성공 여부는 지금보다 저렴하고, 안전하며, 강력한 성능의 배터리 개발에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.
현재 완성차업계의 1차적 목표는 10년, 24만㎞의 내구성을 갖춘 배터리 확보다. 이 조건을 충족해야 전 세계 친환경 자동차들의 각축장인 미국 캘리포니아주 대기자원위원회(CARB)의 인증을 받을 수 있기 때문이다.

과연 완성차 메이커들은 수년 내 이 조건에 부합하는 배터리 개발에 성공할 수 있을까. GM의 글로벌 프로그램 경영관리 부회장인 존 레크너는 시보레 볼트에 채용된 리튬이온 배터리를 업그레이드하는 방식으로 목표달성을 자신하고 있다. 이 배터리는 기존 하이브리드 차량용 니켈수소 배터리보다 가볍고 에너지 밀도 또한 높다는 이유에서다.
그는 "배터리는 수십억 개의 분자가 복잡한 상호작용을 거쳐 전기에너지를 화학에너지로 전환해 저장하는 장치"라면서 "리튬이온 배터리는 이 분자 반응을 제대로 이용하는 최적의 도구"라고 말했다. 그는 이어 "2010년을 전후한 시보레 볼트의 상용화 계획에는 차질이 없을 것"이라고 덧붙였다.

◇10년, 24만㎞ 품질보증
이 같은 자신감의 근원에는 GM이 지난해 전 세계 배터리 개발업체들을 놓고 철저한 기술력 검증을 거쳐 선정한 두 곳의 협력업체가 있다. LG화학의 미국 자회사인 콤팩트파워(CPI)와 미국 매사추세츠 소재 신생기업 A123시스템스가 주인공.
이들은 당시 GM이 제시한 내구성 10년, 5,000회의 재충전 능력, 중량 180㎏ 이하, 주행거리 64㎞ 이상, 시속 96㎞까지 가속시간 8초 이내, 그리고 폭발 위험성 제로 등의 까다로운 기준을 통과해 지난해 6월 최종 심의 대상 기업으로 선발됐다.

이중 CPI는 5년간의 연구 끝에 양극용 리튬 망간 산화물을 개발한 업체다. 이 물질은 리튬 코발트 산화물보다 안전성이 탁월하고 가격까지 저렴해 차량용 배터리 소재로 효용성을 인정받았다.

특히 우수한 출력은 이 물질의 최대 장점이다.
파틸 CPI 최고경영자는 "차량용 배터리는 충분한 가속력을 확보하기 위해 고출력이 요구된다"며 "망간은 3차원 결정구조를 갖고 있어 2차원 구조의 코발트에 비해 리튬이온의 진ㆍ출입이 용이 편리하고, 더 많은 전자를 더 빨리 내보낼 수 있다"고 설명했다.
CPI는 바로 이 소재를 활용해 배터리 셀의 에너지 용량이 일반 하이브리드 차량용의 두 배에 이르는 배터리 팩을 제작, 10월 말 성공적으로 GM에 인도했다.

A123시스템스는 독일의 자동차 부품업체인 콘티넨탈사와 협력해 자동차용 인산철 리튬(LiFePO4) 배터리 팩을 생산하고 있는데 올해 1월 시제품 인도를 완료했다. 이 배터리의 강점은 고도의 안전성이다. 이는 자연계에서 가장 강력한 화학결합인 이중 공유결합 상태인 인산으로 만들어져 배터리 양극이 연쇄반응을 일으켜 폭발할 우려가 아예 없다.

◇시장진입 위한 관문
현재 GM은 엄중하게 기밀을 유지한 채 미시건 주 밀포드의 자동차 시험장에서 이 두 배터리 팩의 성능 테스트를 진행하고 있다. 시보레 볼트의 시험용 차량인 시보레 말리부에 모든 전동장치를 이식해 러닝머신 위를 쉼 없이 주행하며 소음ㆍ진동 등의 가혹한 조건하에서 성능을 확인하고 있는 것.

GM의 워런 배터리연구소에서는 사이클러(cycler)라는 밀폐장치를 활용, CPI와 A123시스템스의 배터리 팩 시제품에 대한 내구 연한 실험이 이뤄지고 있다. 이 장치에 배터리 팩을 넣고 끊임없이 충전과 방전을 거듭하는 것으로 배터리가 2년간 이를 견뎌내면 24만㎞에 해당하는 내구성을 입증할 수 있다.
이 연구소에서는 또 열 시험기를 이용, 85도에 달하는 열기와 습기 속에 장기간 배터리를 노출해 수명을 측정하는 테스트도 진행하고 있다. 밥 러츠 GM 글로벌 제품개발 부회장은 "2010년 4월까지 이 같은 환경 속에서 배터리의 노화를 촉진하면 이론적으로 10년간 꾸준히 사용한 것과 다름없는 상태가 된다"며 "이후 이 배터리를 가지고 성능실험을 진행할 계획"이라고 설명했다.

결국 이 모든 실험이 차질 없이 완수돼야만 시보레 볼트가 실험실을 빠져나와 현실 세계에 데뷔할 수 있다. 만약 GM이 이 실험에 성공한다면 이는 전기자동차의 부활을 알리는 신호탄이 될 것이다.

 

전기자동차 시대 좌우할 배터리 -차세대 배터리 기술의 어려움 ·          08.12.02 00:15

배터리는 통제하기 극히 어려운 구성요소, 즉 불안정한 화학반응을 이용해 움직이는 물건이다. ■ 배터리 개발 협력업체 선발 이렇듯 사운이 걸린 배터리 개발을 아무 협력업체에게나 맡길 수는 없는 일이다. 그래서 지난 2007년 2월부터 2주일에 걸쳐 8개 배터리 개발업체의 대표들이 제안서를 들고 GM 워렌테크센터 캠퍼스 내의 차량 엔지니어링 센터를 찾아왔다. 신생 중소기업부터 전 세계를 상대로 활약하는 대기업까지 망라된 이들 8개사의 제안서들은 엔지니어링 부서에서부터 재무부서에 이르기까지 GM의 각 부서에서 선발된 20명의 심사단이 27개사의 제안서를 철저히 검토해 골라낸 것이다. GM의 심사단은 각사 배터리의 에너지 및 전력 밀도, 온도에 따른 성능 변화, 수명, 가격 등을 꼼꼼히 따졌다. 이들은 심지어 “협력업체 직원들이 GM을 미워하지는 않을까” 하는, 상관없다 싶은 것까지 모두 비중 있게 다루었다. 생산라인 책임자인 토니 포사워츠는 그 모든 것들이 품질에 영향을 미치는 요소라고 말했다. 심사단의 심사 다음에는 30명의 평가단이 4시간 동안의 피치 세션을 통해 8개사의 제품에 점수를 주었다. 이에 앞서 각 협력업체는 자사의 배터리가 다음 기준을 충족시켜야 한다는 것을 입증해야 했다. 우선 16㎾의 에너지 저장이 가능해야 하며, 이 배터리의 전기만으로도 볼트가 64km를 달려가야 한다. 또한 8초 만에 시속 0km에서 96km로 가속할 수 있어야 한다. 그리고 적어도 10년 동안은 쓸 수 있어야 한다. 이것만이 아니다. 완전 충전과 방전을 5,000번 거듭하면서도 배터리 용량이 10% 이상 줄어들면 안 된다. 가로 162cm, 세로 85cm 크기의 상자 안에 들어가는 크기여야 하며, 기존 차량의 구동축이 끼워지는 터널 안에도 들어가는 크기여야 한다. 특히 무게는 180kg을 넘어서는 안 된다. 가격은 가급적 저렴해야 하며, 폭발 위험성은 전혀 없어야 한다. 물론 이 같은 요구조건을 모두 만족시키기란 쉽지 않다. 그 이유는 배터리가 통제하기 극히 어려운 구성요소로 이루어진 물건이기 때문이다. 배터리는 기본적으로 수십억 개의 분자를 이용해 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장하는 물건이다. 전하된 이온 입자는 정단자와 부단자 사이의 전해질, 즉 두 단자 사이의 다리 역할을 해주는 용액 사이를 왔다 갔다 한다. 배터리 사용 때 이 같은 과정을 통해 부단자의 전자가 떨어져 나오면서 전기가 생산된다. 전자는 배터리를 뛰쳐나와 전류 수집기 및 외부 회로를 거쳐 부단자로 돌아오게 되며, 이 같은 움직임이 계속 반복된다. 문제는 수십억 개나 되는 분자의 화학반응을 이용해 극히 복잡한 시스템을 구성해야 한다는 것이다. 그리고 리튬이온 배터리만큼 이 화학반응을 제대로 이용하는 기술은 찾기 드물다. 리튬이온 배터리는 납축전지나 니켈수소 배터리보다 가볍고 에너지 밀도가 높다. 또한 EV1 차량의 하위 모델 두 가지에도 이미 쓰인 적이 있다. 사실 이 리튬이온 배터리 덕에 지난 수십 년 동안 가전기기의 크기가 비약적으로 작아질 수 있었다. 하지만 과열, 과충전 등 잘못된 취급을 받을 경우 까딱 잘못했다간 연쇄반응을 일으켜 배터리 기술자들이 열폭증이라고 부르는 사태, 즉 폭발사고를 일으킬 수도 있다. 이런 사고는 정단자 또는 음극에 리튬 코발트 산화물을 사용하는 휴대폰이나 랩톱에서 특히 잘 일어난다. 유튜브에서 배터리 폭발(exploding battery)을 검색하면 배터리가 폭발할 때 어떤 일이 발생하는지 잘 알 수 있다. 이에 따라 현재 운행되는 모든 하이브리드 차량의 배터리는 니켈수소 배터리고, 자동차 회사에서 대량생산되는 차종에 리튬이온 배터리를 사용할 경우에는 리튬 코발트 산화물을 대체할 재료가 필요하다. 이 때문에 GM의 협력업체 선발 과정은 엄격해질 수밖에 없는 것이다. 소니가 지난 1991년 최초의 상용 리튬이온 배터리를 개발해 낸 이후 연구자들은 이 리튬이온 배터리 기술의 변형기술을 10여 가지 정도 만들어 냈는데, 가장 중요한 내용은 음극의 재질을 교체하는 것이었다. 그로부터 16년 후. 100년 전통을 자랑하는 GM은 자사의 가장 정밀한 차량에 장착할 안전하고 강력한 리튬이온 배터리를 찾아 헤매고 있었다. 2007년 6월 5일. GM의 연례 주주총회에서 글로벌 제품개발 부회장인 밥 러츠는 GM 협력업체 선발 최종심의에 오른 2개의 회사를 발표했다. 첫 번째 회사는 컴팩트파워(CPI)로 가전제품용 배터리를 만드는 한국 대기업 LG화학의 자회사였다. 두 번째 회사는 A123시스템즈. 매사추세츠 주 워터타운에 소재한 이 신생기업은 독일의 자동차 부품업체인 콘티넨탈사와 협력해 자동차용 배터리 팩을 생산하고 있었다. CPI는 5년을 들여 리튬 망간 산화물이라는 음극용 화학물질을 개발해 냈다. 이 물질은 리튬 코발트 산화물보다 싸면서도 안전했으며, 전력까지 우수해 자동차용으로 적합했다. 배터리를 물이 든 통에 비유하자면 에너지는 통의 용량이라고 볼 수 있고, 전력은 그 물을 빼서 쓰는 속도와 양이다. 랩톱 같으면 전력 부족이 큰 문제가 아니겠지만 자동차는 전력이 강해야 빨리 가속할 수 있기 때문에 중요한 문제다. 코발트는 2차원적 화학구조를 지니기 때문에 전력을 많이 만들어 낼 수 없다. 2차원적 구조에서는 리튬이온이 음극을 들락날락하는 길이 적기 때문이다. 따라서 배터리가 전력을 빨리 방출하기 힘들다. 반면 망간을 소재로 한 CPI의 음극은 3차원적 결정구조를 가지고 있기 때문에 리튬이온의 출입이 쉽고 빠르다. 이온의 교환이 빨라 전자를 더 많이, 그리고 더 빨리 뿜어낼 수 있다. 그 만큼 전력이 세지는 것이다. 하지만 이 기술을 활용해 볼트용 배터리를 만들려면 더 많은 작업이 필요하다. CPI의 최고경영자(CEO)인 프라바카 파틸은 “일반적인 하이브리드 차량 배터리 셀보다 두 배의 에너지 용량을 갖춘 셀을 만들어야 했다”고 말한다. CPI의 직원 70명은 GM의 주주총회가 있고 난 후 4개월 동안 야근은 물론 주말에도 일했다. 그 결과 초도 생산한 배터리 팩을 정시에 인도하는데 성공, GM의 배터리연구소 소속 엔지니어들조차 놀랐다. 공교롭게도 배터리 팩이 인도된 날은 할로윈 데이였다. 그동안 A123시스템즈의 배터리는 세관에 묶여 있었다. 미국 교통부는 리튬이온 배터리를 위험물로 취급하고 있기 때문에 콘티넨탈이 독일에서 배터리 팩을 보내오는 것은 어려웠다. 아마 스테인리스강으로 만들어진 배터리 케이스가 제리 브룩하이머의 영화에 나오는 핵무기처럼 생긴 탓도 있었을 것이다. 하지만 A123시스템즈가 배터리에 사용하는 인산철리튬은 화학적으로 가장 안전한 것이었다. 이 배터리의 음극이 연쇄반응을 일으켜 폭발하는 것은 자연계 내에서 가장 강력한 인산 내의 이중결합 덕분에 불가능하다. 결국 지난 1월 세관은 배터리를 통관시켰다. 그리고 GM도 A123시스템즈의 배터리가 조만간 들어오게 될 것을 알게 됐다. 때마침 로크너는 미국진보센터에서 개최한 플러그인 하이브리드 관련 토론에 패널로 참석, 그 배터리를 연구소로 가져와야 한다고 목청을 높이고 있었다. 당시 로크너는 누군가로부터 “당신이 말한 그 배터리는 어디에 있느냐”는 질문을 받았다. 그는 블랙베리 핸드폰을 살펴보다가 “우리 연구소에 5분 전 도착했다”고 답변했다. ■ 차세대 배터리 기술의 어려움 차세대 배터리 기술을 개발하기가 그렇게 어려운 것인가? 많은 사람들은 이 문제에 대해 궁금해 한다. 이미 12년 전에 순수 전기자동차인 EV1이 나왔음에도 불구하고 지금 전기자동차의 하이브리드 버전을 만들기가 왜 그렇게도 어렵냐는 것. 로크너는 올 7월 캘리포니아 산호세에서 열린 플러그인 하이브리드 관련 업계 컨퍼런스에서 이에 대한 자신의 생각을 나타냈다. 그는 “어떤 사람들은 과거의 EV1을 재생산하면 되지 않느냐고 말한다”면서 “하지만 EV1에 쓰인 배터리 기술은 10년 전의 것에 불과하다”고 말했다. 그는 이어 “GM은 더 새롭고 뛰어난 기술을 개발해 큰 시장에서 잘 팔릴 제품을 만들 것”이라고 덧붙였다. 그의 설명은 그 자리에 온 700명의 청중이나 내부 인사, 선동가, 그리고 확실한 근거를 원하는 사람들을 만족시키지는 못했다. 만약 로크너가 요점, 즉 EV1에 사용된 배터리 기술을 부활시키는 것은 명백한 판단착오라는 점을 보다 명확히 지적했더라면 더 많은 사람들이 수긍할 수 있었을 것이다. EV1 프로젝트의 주도자였고 초기 시보레 볼트 프로젝트에서도 주도적 역할을 담당했던 존 베리사는 “당시에는 좋은 배터리 기술이 없었다”면서 “하지만 이제는 진정으로 효율적인 전기자동차를 만들 수 있을 것으로 본다”고 말했다. EV1은 한 번 충전해서 104~152km를 달릴 수 있다. 하지만 EV1의 배터리는 무려 450kg에 달하는 납축전지로 가격 역시 너무나 비쌌다. EV1의 제2세대 모델은 항속거리를 225km까지 연장했지만 대형 니켈수소 배터리를 사용하는 탓에 코발트, 바나듐 같은 값비싼 소재가 많이 사용됐다. 결국 배터리의 단가는 4만~5만 달러까지 뛰어오르고 말았다. 베리사는 EV1 프로젝트 때문에 GM이 무려 10억 달러의 손실을 보았을 것으로 추산한다. 그는 “EV1으로 기술적 가능성을 연 것은 분명 성공”이라면서 “하지만 상업적으로는 성공했다고 볼 수 없다”고 말했다. 기술적 가능성과 상업적 이익이 양립 불가능한 명제는 아니겠지만 전기자동차 배터리에 필요한 기술적 장벽은 갈수록 높아지고 있다. 볼트는 한 번 충전해서 64km를 달릴 수 있는데, 이 정도의 성능 가지고는 소비자들이나 관계당국을 만족시키기 어렵다. GM이 캘리포니아 대기자원위원회의 인증을 얻으려면 볼트의 배터리는 사용기간 10년, 그리고 주행거리 24만km에 대한 품질보증이 있어야 한다. 일부 배터리 업계 관계자들은 리튬이온 배터리의 첫 세대가 시장에서 오래 살아남기는 힘들것으로 보고 있다. 업계 분석가인 미너헴 앤더먼은 자동차용 배터리에 대한 무수한 불평불만을 듣고 있다. 그는 이렇게 말했다. “제가 지난 9년 동안 돌아다녀 본 모든 자동차 회사에서 배터리가 너무 크고 비싼데다 수명까지 걱정이라고 하더군요. 솔직히 저 같아도 플러그인 하이브리드 차량을 만들기는 좀 그렇습니다. 배터리 크기는 5배나 크고, 가격은 그 이상으로 비싸니까요. 배상책임 위험은 5배, 아니 10배 이상이 될 지도 모릅니다.” 그는 플러그인 하이브리드 자동차는 배터리를 혹사하며, 사용할 때마다 열화가 일어난다고 주장한다. 따라서 GM은 이 값비싼 배터리가 차량 수명이 다하기 전에 죽어버릴 가능성을 염두에 둬야 한다고 지적한다. 그 때문에 미시건 주 워렌의 배터리 연구소에서는 볼트 프로젝트에서 가장 신경 쓰이는 중요한 실험이 실시되고 있다. 2008-11-19 18:00:13 (2008 . 11 기사) 파퓰러 사이언스

전기자동차 시대 좌우할 배터리-시장 진입 위한 최후의 관문 ·          08.12.02 00:16

어려운 것은 배터리의 수명 측정이다. 10년 묵은 배터리가 원활하게 동작하는지 알려면 10년 동안 사용해 보는 수 밖에 없다. ■ 시장 진입 위한 최후의 관문 미시건 주 밀포드의 테스트 트랙에서는 엄중한 기밀을 유지한 채 다소 못생긴 자동차가 쉼 없이 질주하고 있다. 이 자동차의 이름은 맬리-볼트. 시보레 맬리버스를 개조, 볼트의 전동장치를 이식하고 센서와 전극을 장착한 실험용 차량이다. 이 자동차는 런닝 머신 위에서 심장부하 검사를 받는 사람처럼 쉼 없이 달리고 있는데, 볼트가 예정대로 2010년 11월 생산될지 여부는 이 자동차의 성공에 달려있다. 맬리-볼트를 사용해 배터리가 소음과 진동, 가혹한 사용조건 하에서 버틸 수 있는지를 테스트하는 것이다. 이것이야말로 자동차가 실험실을 빠져나와 시장으로 진입하기 위한 최후의 가혹한 관문이다. 6월 초 GM의 글로벌 제품개발 부회장인 러츠는 환경 뉴스 웹사이트인 그린퓨얼스포캐스트닷컴에 맬리-볼트의 스릴 넘치고 무시무시했던 첫 주행 테스트를 설명했다. 그는 “마치 일반 자동차가 엔진을 쓰지 않고 비탈길에서 시속 112km로 굴러 내려가는 것과 같았다” 며 “배터리는 잘 작동했다”고 말했다. 배터리 셀을 연결한 용접 부위에 결함이 발견됐지만 그 정도는 예상하고 있었다. 제작팀의 자신감은 점점 높아졌다. 이들은 이변이 없는 한 2010년에는 볼트를 출시할 수 있을 것이라고 믿어 의심치 않는다. 만약 이변이 발생한다면 GM의 워렌 배터리 연구소에서 실시되는 내구도 실험에서 생길 가능성이 크다. 이 내구도 실험은 냉장고만한 크기의 실험도구인 사이클러 안에서 이루어진다. 시제품 배터리 팩 2개를 넣고 충전과 방전을 거듭하면서 배터리의 성능저하 없이 몇 번의 충전과 방전을 할 수 있는지 알아보는 것이다. 이 사이클러에서 2년 동안 실험을 하면 실제 세계에서 주행거리 24만km를 달린 것에 해당하는 내구성 실험을 할 수 있다. 사실 어려운 것은 배터리의 수명 측정이다. 10년 묵은 배터리가 원활하게 동작하는지 알려면 그 배터리를 10년 동안 사용해보는 수밖에 없다. 하지만 GM의 경우처럼 출시까지 2년밖에 안 남은 경우라면 배터리를 서멀 체임버(thermal chamber)에 넣고 가열해 노화를 인공적으로 촉진시키는 수밖에는 없다. 이 서멀 체임버는 쇠로 만들어진 뜨거운 사우나실로 배터리를 85℃의 열과 습기에 수개월간 노출시킨다. 이 속에서 2010년 4월, 즉 볼트의 생산이 개시되기 7개월 전까지 A123시스템즈와 CPI의 배터리를 묵혀두면 이론적으로 이 배터리는 10년 동안 사용한 것과 다름없는 상태가 되는 것이다. 배터리의 수명이 언제까지인지 정확히 알기는 힘들다. 증권거래위원회가 기업공개 이전에 설정한 침묵기간 때문에 A123시스템즈는 여기에 대해 아무 말도 하지 않고 있다. 반면 CPI의 파틸은 배터리의 성능에 대해 강한 자신감을 표현하고 있다. 그는 “초기 성능 평가로부터 1년이 지난 현재 우리는 아무 장애물도 없이 여러 관문을 통과하고 있다”고 말했다. 성능과는 별도로 이 같은 자신감은 분명 커지고 있다. 로크너는 플러그인 하이브리드 컨퍼런스에서 연설하기 전날 아침을 먹으면서 사람들이 볼트에 대해 가지고 있던 의심이 풀리는 것을 매우 기쁘게 여겼다. 그는 대화하면서 사람들이 가지고 있던 불안을 희망으로 바꿔놓았다. 그는 “이제 회의론자들이 설 자리는 줄어들고 있다”면서 “오늘이 가고 나면 이제 누구나 플러그인 하이브리드 자동차의 등장은 시간문제라고 여기게 될 것”이라고 말했다. ■ 노새 모델 테스트 이번 달이면 시제품과 완전히 똑같은 외관과 성능을 갖춘 볼트의 이른바 ‘노새 모델’이 테스트를 받게 된다. 한편에서는 미국 유권자들이 2명의 대통령 후보에게 표를 주게 된다. 이들 후보는 모두 볼트가 소비자 시장에서 경쟁할 수 있도록 지원하겠다고 공약했다. 하지만 전기를 기반으로 하는 경제로 가는 장기적인 목표를 이루려면 배터리는 정부 지원 없이도 가솔린을 간단히 이길 수 있어야 한다. 땅 속 깊이 파묻힌 화석연료만큼 강하고 경제적이어야 한다. 즉 무게 180kg짜리 배터리가 불과 3.78ℓ의 기름만한 성능밖에 못 내는 현재의 상태보다 더욱 뛰어난 성능을 갖추어야 한다는 것이다. 로크너는 “이상적인 목표가 무엇이냐고 묻는다면 배터리가 가솔린이나 디젤과 동일한 에너지 밀도를 갖게 되는 것이라고 대답하겠다”면서 “우리는 그동안 뭐든지 된다고 생각하면 분명 해내고야 말았다”고 말했다. 2008-11-19 18:00:13 (2008 . 11 기사) 파퓰러 사이언스

전기자동차 시대 좌우할 배터리     08.12.02 00:13

[위사진] 제너럴 모터스는 플러그인 하이브리드 차량인 시보레 볼트 개발에 사운을 걸고 있다. [가운데사진] EV1의 거대한 납축전지(왼쪽)와 볼트의 리튬이온 배터리 팩. [아래사진] GM의 실험실에서 경쟁 기종인 2개 배터리 팩의 수명 실험이 진행되고 있다. 21세기를 맞아 전기자동차가 다시 부활하려 하고 있다. 하지만 이를 위해서는 무엇보다도 저렴하고, 안전하며, 강력한 배터리가 만들어져야 한다. 그렇지 않으면 전기자동차인 플러그인 하이브리드 자동차가 대량생산될 수 없다. 물론 차세대 배터리 기술을 개발하는 것은 쉽지 않다. 배터리는 기본적으로 수십 억 개나 되는 분자의 화학반응을 이용해 극히 복잡한 시스템을 구성해야 한다. 폭발 위험성도 있다. 현재 GM은 2년 내에 사용기간 10년, 그리고 24만km를 주행할 수 있는 배터리를 개발, 시보레 볼트에 장착한다는 계획을 추진 중이다. 제너럴 모터스(GM)의 전기자동차 시보레 볼트에 쓰이는 배터리의 무게는 약 180kg이다. 세워 놓으면 길이가 6피트나 된다. 가격이 1만 달러에 달하는 이 T자형 배터리 팩에는 3V 리튬이온 셀이 들어 있다. 리튬이온 셀은 3개가 하나로 연결돼 있고, 셀 묶음은 다시 전선으로 연결돼 있으며, 과열방지용 냉각장치가 달려있다. 배터리 팩 내의 컴퓨터 모니터 시스템은 각 셀의 움직임을 조절하고, 전압의 균형을 맞춘다. 또한 셀이 기능 이상이나 누전을 일으키지 않는지, 그 외에도 이 시스템의 작동을 방해하는 것은 없는지 살펴봄으로서 이 작은 ‘전자 오케스트라’를 지휘한다. 1.6톤짜리 시보레 볼트는 현재 만들어진 것 가운데 가장 진보된 이 축전 기구를 사용해 64km의 거리를 달릴 수 있다. 이 정도 거리를 가솔린으로 환산하면 약 3.78ℓ다. GM의 글로벌 프로그램 경영 부사장인 존 로크너가 사람들에게 알리려고 애를 쓰는 것이 바로 이 같은 전기자동차용 배터리의 발전상이다. 로크너는 자신을 전기자동차 찬양론자라고 밝힌다. 물론 그도 엔지니어적인 관점에서 냉정히 볼 때 전기자동차가 아무리 발전해도 아직은 가솔린 자동차에 비해 너무 비싸다는 점은 인정하고 있다. 지난 4월 디트로이트 교외에서 열린 GM의 칵테일 리셉션. 로크너 주변에 저널리스트들이 모여앉아 있다. 이들은 다음날 미시건 주 워렌에 가서 볼트가 개발되는 현장을 둘러보고, 이 플러그인 하이브리드 차량의 실용성을 입증하기 위한 시제품의 시범장면을 볼 것이다. 실용화는 멀고도 힘든 길이지만 볼트는 그 길을 힘차게 달리고 있다. 분위기는 매우 친근했다. 하지만 로크너는 누군가가 지난 1996년 GM이 만들었던 전기자동차 EV1 얘기를 꺼낼 경우 맞받아칠 준비도 하고 있었다. 많은 EV1은 만들어진지 불과 몇 년 지나지 않아 애리조나의 사막으로 견인돼 폐차됐다. GM은 실패한 EV1과 달리 볼트는 반드시 성공할 것이라고 주장하고 있다. 로크너는 아예 누군가가 말을 꺼내기도 전에 미리 선제공격을 가했다. 당시에는 배터리만 가지고 내연기관을 당해낼 수 없었기 때문에 EV1이 실패했다는 것이다. 그는 마치 자기 옆에 볼트의 실물 크기 배터리 팩 모형이라도 있는 것처럼 허공에다 손을 휘둘렀다. 그는 GM과 석유회사가 음모를 꾸며 의도적으로 EV1 프로젝트를 실패하게 한 것이라고 생각하는 사람이 있다면 다음과 같은 점을 잘 생각해보라고 강조한다. 가솔린 3.78ℓ의 성능을 낼 수 있는 볼트의 180kg짜리 배터리는 EV1의 배터리보다 무려 270kg이나 가벼워졌다는 것이다. 어찌됐든 소비자들은 곧 전기자동차를 구입할 수 있을 것이다. 유가가 오르고, 극지방의 얼음이 녹으며, 석유가 풍부한 지역의 정치적 불안정이 이어지는 한 그것은 분명 필연적이다. 사실 인류는 화석연료 사용을 멈춰야 한다. 미국은 매일 15억ℓ의 석유를 때고 있다. 석유 1ℓ가 연소하면 이산화탄소 2.4kg이 생긴다. 그리고 현재 석유를 가장 신속하게 대체할 수 있는 대체에너지는 바로 전기다. 수소경제는 아직까지 공상과학(SF) 소설에 가깝다. 옥수수로 만든 에탄올은 전 세계의 식품 가격을 상승시킬 것이고, 역시 연소하면서 이산화탄소를 배출한다. 반면 전기는 현재도 모든 가정에 보급돼 있다. 석유와 비교해도 값이 싸다. 그리고 천연가스, 석탄, 원자력, 수력, 태양열, 풍력 등 어떤 에너지로도 생산할 수 있다. 설령 석탄을 때서 만든 전기로 달리는 자동차라도 1.6km 주행할 때 생기는 이산화탄소의 양은 317g에 불과하다. 가솔린으로 달리는 자동차에 비하면 훨씬 적은 것이다. 프리어스 같은 현대의 하이브리드 카는 자동차의 전동화(電動化)에 한 걸음 다가선 모델이다. 하지만 한 걸음일 뿐이지 완벽한 전동화는 아니다. 하이브리드 카는 어디까지나 배터리로도 잠시 달릴 수 있는 내연기관 차량에 불과하다. 하지만 GM에서 장거리형 전기자동차라고 부르는 볼트와 같은 플러그인 하이브리드 차량은 완벽한 전동화로 가는 경계선을 넘었다. 주요 연료로 가솔린이 아닌 전기를 사용하기 때문이다. 실제 플러그인 하이브리드 자동차는 화석연료 대신 기존 전력망에 바로 연결해 충전할 수 있는 대형 배터리를 주된 에너지원으로 쓰고 있다. 플러그인 하이브리드 차량의 이점은 무엇일까. 미 교통부 자료에 따르면 미국 운전자 중 하루에 64km 이하를 주행하는 사람의 비율이 78%나 된다고 한다. 그런 만큼 볼트 운전자의 경우 웬만하면 가솔린을 사용하는 보조엔진을 사용할 필요가 없다. 배터리 기술의 발전으로 한 번 충전해서 80km를 주행할 수 있게 되면 더욱 기가 막힌 결과가 나온다. 플러그인 하이브리드 차량은 하루 80km를 ℓ당 63.45km의 연비로 주행할 수 있는 셈이기 때문이다. 미 전력연구소와 천연자원보호위원회의 연구에 의하면 플러그인 하이브리드 차량이 시장에서 차지하는 비중이 늘어간다면 2050년까지 무려 34억 톤의 이산화탄소 배출량이 줄어들 것이라고 한다. 이는 앞으로 40년 동안 주로 석탄을 사용해 전기를 생산한다는 비교적 비관적인 관점을 적용하더라도 그렇다. 연비가 ℓ당 12.69km인 중형 가솔린 자동차가 1년에 뿜어내는 이산화탄소만 4톤이나 되기 때문이다. 이에 따라 대부분의 자동차 회사들은 이 같은 전기자동차 시대에 대비하는 시늉이라도 내고 있는 실정이다. 실제 닛산, 도요타, 마쯔다, 미니, 미쓰비시, 스바루, 현대, 폭스바겐 등은 앞으로 2~3년 내에 아무리 적은 숫자라도 분명 플러그인 하이브리드 차량을 출시할 것이라고 발표한 상태다. 고급차 전문 메이커인 테슬라는 이미 초고가의 순수 전기스포츠카 인도를 개시했다. 그리고 피스커 코치빌드 같은 작은 자동차 회사들도 전기자동차 주문을 받기 시작했다. 하지만 그런 자동차에 달려있는 배터리는 아직 가솔린을 대체할 만큼 저렴하고, 안전하며, 에너지 밀도가 높지 못하다. 볼트에 장착될 거대한 배터리는 앞으로 모든 전기자동차 메이커가 배터리 개선을 위해 참고해야 할 모델이 될 것이다. GM은 명성 있는 자동차 제조회사지만 EV1의 실패로 모든 것을 날려버릴 위기에 처했다. 사업이 너무 확장된 탓에 올해 2·4분기에만 150억 달러의 손해를 보았다. 이대로라면 2010년에는 가진 돈을 다 까먹게 된다. 이 때문에 GM은 볼트의 성공에 사운을 걸고 있다. 즉 GM은 180kg짜리 배터리를 개발해 어디에서나 충전 가능한 전기자동차의 시대를 열려는 도박을 하고 있는 것이다. 2008-11-19 18:00:13 (2008 . 11 기사)  파퓰러 사이언스

자동차 배기가스에 의한 대기오염 방지와 온실가스에 의한 지구온난화 및 기후변화에 대한 대책과 고유가 시대를 맞이하여 자동차 연비를 향상시키기 위한 노력으로 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 개발이 가속화되고 있다.
HEV 전지는 HEV 자동차의 보조동력으로 사용되어, 차량 출발 시나 경사면 등판 및 급 가속 시에 엔진을 보조하여 가솔린 엔진의 운전 효율을 극대화함으로써 기존 자동차 대비해서 연비를 2배 향상시키고 공해물질 배출량은 50% 감소시키는 효과를 발휘토록 해준다.
HEV 전지로는 니켈수소전지와 리튬이온전지가 있다. 니켈수소전지는 이미 상품화되어 판매가 되고 있으며 리튬이온전지는 향후 상품화를 목적으로 세계의 여러 업체에서 개발이 진행되고 있다.
리튬이온전지는 니켈수소전지와 비교해서 출력이 크고, 전지가 작고 가벼워서 차량의 컴팩트화에 기여할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 삼성SDI도 이러한 취지에서 개발을 진행하고 있다.

출력이 커야 한다.

하이브리드 전기 자동차에서는 출발, 언덕주행, 고속 주행 시에 모터가 구동되며, 이때 리튬이온 전지가 모터에 순간적으로(2~3 초에서 1분 정도까지) 에너지를 공급할 수 있어야 하기 때문에, 휴대폰용 전지에 보다 5배 이상의 고출력이 필요하다.

수명이 길어야 한다.

하이브리드 전기 자동차의 사용 기간 동안 HEV 전지도 교체 없이 사용되어야 하므로 사용기간 15년, 주행 거리 25만km, 사이클 수명 30만회 이상의 긴 수명을 가져야 한다.

안전성이 우수해야 한다.

자동차를 움직일 수 정도 큰 출력의 밧데리가 사용되므로 많은 전류가 충전시에 부가되며, 따라서 이러한 큰 전류에서도 안전해야 한다. 또 자동차가 충돌시에도 충격에 의해 발화되지 않아야 한다.

가격이 싸야 한다.

HEV 전지의 사용으로 자동차의 연비과 공해 배출량이 감소하지만 전지 가격이 이러한 이익보다 크다 되면 상품성이 낮아지므로 HEV 전지는 가격이 저렴해야 한다.