자율주행자동차(4) : 전기자동차의 문제점

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<전기자동차의 문제점>

전기자동차의 가장 큰 단점은 기본 동력원인 전지의 경우 자동차 수명보다 전지 수명이 짧고, 전지를 몇 번씩 교환해야하는데 가격도 고가라는 점이다.

이 문제가 얼마나 중요한 가는 2019년 노벨화학상은 휴대전화와 랩톱 컴퓨터, 전기차 탄생의 일등공신인 리튬이온배터리를 개발한 존 구디너프 미국 텍사스대 교수와 스탠리 휘팅엄 미국 뉴욕주립대 교수, 요시노 아키라 일본 아사히가세이 명예연구원 겸 메이조대 교수에게 돌아갔다는 점으로도 알 수 있다.

이들은 노벨상위원회로부터 그들이 개발한 고성능 리튬이온전지가 에너지 혁명을 주도하고 있으며, 화석 에너지 시대를 종식시킬 수 있는 대안으로 떠오르고 있다고 수상이유를 밝혔다. 이는 현재 가벼우면서 재충전이 가능한 리튬이온전지가 선풍을 일으키며 광범위하게 사용되고 있다는 것을 시사한다.

 

2019 노벨화학상 수상자

특히 리튬이온전지가 스마트폰에서 휴대용 컴퓨터, 전기차에 이어 태양‧풍력 에너지 저장 등에 이르기까지 광범위하게 사용되면서 화석에너지를 대체할 수 있는 새로운 에너지 혁명을 주도하고 있다는 점에 큰 방점을 찍었다. 즉 현재의 무선전지(wireless), 탈화석(fuel-free society) 시대를 여는데 크게 기여했다는 것이다.

1941년 영국에서 태어난 휘팅엄 교수는 미국 빙햄턴 대학에서 재료과학을 연구하면서 리튬이온전지의 핵심 원리인 ‘인터칼레이션 전극(intercalation electrode)’의 원리를 발견했다. 리튬이온 전지가 작동하기 위해서는 음극과 양극 두 전극 사이에서 리튬이온과 전자가 이동할 수 있어야 하는데 리튬이온전지 내에서 흑연으로 구성된 음극과 코발트산화물로 구성된 양극 사이에 이동이 이루어진다. 이를 ‘인터칼레이션’이라고 부르며 리튬이온전지가 작동할 수 있는 핵심 원리다. 특히 노벨상위원회는 휘팅엄 교수가 1970년대 오일 파동이 일어날 당시 초전도체에서 풍부한 에너지를 창출할 수 있는 물질인 이황화티타늄(titanium disulphide)을 발견했고, 이 물질을 음극 물질로 사용해 분자 수준에서 충전 용량을 크게 향상시켰다고 극찬했다. 노벨상위원회에서 이런 극찬은 특별히 예외적이다.

텍사스대에 재직 중인 구디너프 교수는 1922년생으로 97세에 노벨화학상을 수상함으로써 2018년 96세의 고령자로 물리학상을 받은 아서 애쉬킨(Arthur Ashkin) 박사의 기록을 제치고 역대 최고령 수상자의 자리에 올라 특별한 주목을 받았다.

그는 음극 소재 이황화티타늄 대신 산화금속을 사용해 이전보다 2배 높은 4볼트의 전력을 생산하는데 성공했다. 구디너프 박사는 휘팅엄 교수가 발견한 음극 소재 이황티타늄 즉 이황화물 대신 산화금속 즉 산화코발트를 양극 물질로 용하면 더 높은 전압을 발생시킬 수 있다는 생각을 실천에 옮겨 황화물보다 2배나 높은 전압을 발생시키는데 성공했다. 이것이 현재 사용하는 강력한 배터리의 기반이 되었다.

1948년 일본에서 태어난 미에 조 대학의 요시노 아키라 교수는 세계적인 리튬이온전지 업체인 일본 <아사히카세이>사의 연구원을 겸임하고 있다. 그는 리튬이온전지에 대한 본격적인 연구를 하면서 충전지의 소형화, 경량화에 투신하던 중 1980년 굿이너프 교수의 눈문에 주먹했다.

 

이황화티타늄을 음극물질로 사용해 성능을 향상시킬 수 있다는 이 논문을 바탕으로 소형화, 경량화 작업을 이어갔고, 1991년에 노트북, 휴대전화 등에 이 리튬이온 전지를 사용토록 기술을 제공하여 세계적으로 상용화된 리튬이온전지의 모델이 되는데 기여했다. 즉 세계 최초로 안전하고 생산성 있는 리튬이온 전지를 개발한 성과를 인정받아 노벨상까지 수상한 것이다.

일본은 요시노 교수를 포함하여 8번째 화학상을 받았으며 일본 국적으로 노벨상을 수상한 사람의 수가 25명에 이른다. 일본 출신이지만 다른 나라 국적을 보유한 수상자 3명을 포함하면 일본 출신 노벨상 수상자는 노벨 화학상 8명을 포함하여 물리학상 9명, 생리의학상 5명, 문학상 2명, 평화상 1명 등 총 28명이나 된다.

 

리튬이온배터리원리

배터리는 화학반응으로 전기를 만드는 장치인데 1차전지와 2차전지로 나뉜다. 1차 전지는 한 번 쓰면 화학반응이 끝나기 때문에 그대로 폐기해야 하는 일회용을 말한다. 재충전이 안 되는 배터리로 ‘알칼라인전지’가 대표적이다. 2차전지는 재충전이 가능한 배터리를 말하는데 전기를 채워 넣고, 그 전기를 다 쓰고, 다시 전기를 채워 넣으면 새것처럼 쓸 수 있다. 납축전지, 니켈카드뮴전지, 리튬 이온 배터리 등이 여기에 속한다.

2차 전지 중 우리 일상생활에서 가장 밀접하게 쓰이는 것이 ‘리튬 이온 배터리’다. 노트북, 휴대전화, 전기자동차 등에 널리 사용되고 있다.

스마트폰을 예로 들면 배터리 음극에 있던 리튬 이온(Li+)이 전해질을 통해 양극으로 움직이면서 전류가 흐른다. 리튬 이온이 전부 양극으로 이동하면 방전(전력 사용) 상태가 된다. 반대로 스마트폰을 전원에 연결해 충전을 시작하면 양극 금속산화물 사이에 끼어든 리튬 이온이 전해질을 통해 다시 음극으로 향한다. 양극의 리튬 이온과 전자가 음극으로 다 옮겨가면 충전(전력 저장)이 끝난다.

1990년대까지만 해도 충전식 배터리는 주로 니켈이나 납을 사용했다. 그런데 니켈이나 납은 무거운 게 흠이다. 배터리가 크면 전기를 많이 담을 수 있지만 니켈이나 납 전지는 무거워서 휴대용은 물론 전기차에 사용하는 것이 만만치 않았다.

그런데 리튬 이온 배터리는 니켈전지 무게의 절반 정도다. 가벼우면서도 배터리 용량은 높일 수 있는데 같은 무게라면 니켈전지보다 용량이 약 3배 높은데다 니켈전지와 달리 성능도 오래 유지된다. 또한 요시노 박사는 1985년 폭발 위험을 현저하게 줄인 배터리를 개발하였고 일본 소니가 1991년부터 리튬 이온 배터리를 판매했다. 리튬 이온 배터리가 보편화하면서 1∼2시간 밖에 쓸 수 없었던 노트북은 하루 정도 사용할 수 있으며 전깃줄이 없는 ‘코드리스’ 청소기가 대세가 됐다. ​

 

자동차에 장착된 대형 리튬 이온 전지(환경부 전기차 충전소)

그러나 리튬이온배터리가 폭발적으로 보급되기 시작한 것은 전기차 대중화 시대로 들어가기 때문이다. 현재 전기차의 세계적 보급대수는 약 200만대에 지나지 않지만 2025년 1,000만 대를 넘기며 앞으로 자동차의 대세가 된다면 이는 배터리 세상으로 변하고 있다는 것을 의미한다.

현재의 기술로 볼 때 일반 가솔린자동차에 비해 속도가 느리고, 배터리 1회 충전으로 주행할 수 있는 항속거리가 짧으며 충전시간이 오래 걸린다는 것이 큰 걸림돌이다. 특히 총 2중량 20톤을 넘는 자동차일 경우 현재 기술에서는 전지만으로도 5톤 정도 되므로 많은 물동량을 이동시키는 대형차에 맞지 않는다는 단점도 있다.

문제는 전기자동차의 충전이다.

전기자동차는 현재 리듐이온 배터리 수천 개에 전기를 충전해 움직인다. 리듐이온이 음극(-)에서 양(+)극으로 흐르면서 전류를 만들고 방전되면 전기에너지를 충전해서 다시 사용하는 방식이다. 리듐이온 배터리는 다른 배터리보다 가볍고 에너지효율이 뛰어나 스마트폰에서도 사용한다.

전기자동차의 충전방식은 충전 속도에 따라 크게 완속충전과 급속충전 방식으로 구분된다. 완속충전은 교류 전원을 이용해 전기자동차를 충전하는 방식인데 충전기의 교류를 배터리의 직류로 변환해야 하기 때문에 충전시간은 4〜5시간 정도가 소요된다. 내연기관 자동차는 주유소에서 3〜5분이면 기름을 채울 수 있지만 전기차는 배터리를 한번 충전하는데 약 4〜5시간이 소요된다는 것은 만만한 일이 아니다.

반면에 급속충전은 별도의 변환을 거치지 않고 충전하는 방식으로 충전 속도가 비교적 빨라 방전상태에서 80%가량 충전하는데 소요되는 시간은 30분 내외로 알려지는데 한시가 바쁜 현대에 30분도 매우 긴 시간임은 분명하다. 그러므로 전기자동차는 느린 배터리 충전 시간 때문에 장거리 여행이 아니라 일반 통근 목적으로 이용하는 사람들에게 효용성이 있다는 단점이 있다.

더구나 일반적으로 완전히 충전되었다하더라도 주행 거리가 짧다. 내연기관 자동차는 한 번 기름을 넣으면 500km정도 주행하는 것이 어려운 일이 아니지만 전기자동차의 경우 그 절반 거리를 달릴 수 있다. 더구나 전기자동차는 배터리를 수천 개 사용하므로 자동차 가격이 매우 비싸진다.

전기자동차가 갖고 있는 더욱 치명적인 문제는 전기차에 들어가는 대용량 리튬이온배터리의 수명은 짧게는 5년, 길게는 10년 전후라는 점이다. 리튬이온배터리 용량이 초기에 비해 70% 이하로 떨어질 경우 전기차가 제대로 성능을 내기 어렵다. 리튬이온배터리를 쓰는 휴대전화도 2년가량 사용하면 배터리 성능이 현격히 떨어지는 것과 같은 이치다.

현재 가동되는 내연기관 자동차의 경우 자동차 보증기간이 10년 정도는 보통인데다 50년 정도나 되는 자동차도 잘 돌아다닌다. 적어도 자동차 엔진 때문에 문제가 되면 교체하여 계속 사용할 수 있다. 그러나 전기 자동차의 경우 구동 핵심 자체의 수명이 택없이 작다는 것은 심각하게 생각해 볼 문제라는 것이다.  

보다 큰 문제는 수명으로만 그치지 않는다는 점이다. 3, 4년 내에 전기차에 사용됐던 대용량 폐배터리를 처리해야하는데 이는 밧데리 전체를 몇 년마다 바꾸어야하는 것은 물론 수명이 다한 리튬이온배터리가 심각한 환경오염을 유발할 수 있다는 점이다. 전기자동차의 문제가 간단하지 않다는 것을 이해할 것이다.

전기자동차와 전기 저장장치에 리튬이온 배터리가 사용되어 유용하기는 하지만 여러 가지 문제점이 생기고 있는 것은 사실이다. 그러므로 이를 대치할 수 있는 방안에 세계 각지에서 개발되고 있는데 그 중 가장 유망한 분야가 칼륨 금속 배터리이다.

학자들은 우선 칼륨은 싸고 풍부할 뿐만 아니라 작업하기 쉽다는 점에 기대를 걸고 있다. 이는 칼륨으로 배터리를 만들면 원료비용이 줄고 제조 비용이 낮아진다는 것을 의미한다. 특히 칼륨금속 양극을 사용한 칼륨 배터리는 리튬이온 배터리가 제공하는 것과 동등한 에너지 밀도로 제작할 수 있다는 점도 장점이다.

 

덴드라이트가 전연막을 뚫고 나가는 모습(사이언스타임즈)

문제는 리튬 배터리에도 존재했던 ‘덴드라이트(dendrite)’ 즉 수상돌기가 생긴다는 점이었다. 시간이 지남에 따라 배터리가 충전되고 방전되면서 리튬 배터리나 칼륨 배터리 모두 금속 조각들이 양극에 달라붙게 되는데 마치 나무 잔가지 같은 덴드라이트가 형성되는 것이다.

이 같은 현상은 고르게 일어나지 않는다. 덴드라이트가 많아지면서 양극과 음극을 분리하는 절연막을 뚫고 들어갈 만큼 길어지게 되고, 이후에는 배터리가 단락(합선) 된다. 이 같은 부작용은 열을 축적시키면서 때때로 화재를 야기하고 배터리 수명을 단축시킨다.

리튬이온배터리는 다른 전지에 비해 가볍고 높은 에너지밀도를 가지고 있어 고용량과 고효율의 구현이 가능하므로 현재 우리생활에 없어선 안 될 에너지 저장 매체로 자리 잡았다. 그러나 2016년 <국제엠네스티>에 대형 폭탄이 터졌다.

리튬이온배터리의 원재료로 이용되는 코발트가 그야말로 비인권적인 상황에서 생산된다는 것이다. 상당수 코발트가 안전장비도 없이 맨 몸으로 콩고에서 생산되고 있는데 이 위험한 채굴에 무려 4만 명의 아이들이 동원되었고, 하루 12시간 동안 고된 일을 하는데 하루에 받는 돈은 고작 1달러에 불과했다.

현재 전세계의 수많은 지구인들이 현대 문명의 총아로 인한 최신 기술의 혜택을 누리고 있지만 그 제조 과정이 만만치 않은 문제점을 만들고 있다는 것이다. 이 문제는 애플, 삼성전자, 델(Dell), 마이크로소프트, 르노, 테슬라 등의 대기업들에도 관계되는데 이런 현대인들의 물질적 혜택이 껄끄러운 문제점과 연관되어 있다는 것은 앞으로 지구인들이 풀어야할 화두임은 물론이다.

미국 뉴욕 주 렌셀러 공대 니킬 코라트카르 박사는 밤새 배터리를 충전할 때 양극의 덴드라이트를 청소할 수 있는 자가 치유 기술을 개발했다고 발표했다. 한마디로 자가 치유 기술로 덴드라이트가 문제를 일으킬 만큼 많이 축적되는 것을 방지할 수 있다는 것이다. 이를 활용하면 값싸고 수명이 긴 칼륨 금속 배터리를 대량으로 사용하는 것이 가능하다는 뜻이다.

배터리는 한 쪽 끝에는 음극과 다른 쪽 끝에는 양극이 있다. 리튬이온 배터리 안을 들여다보면 일반적으로 리튬코발트산화물로 만든 음극과 흑연으로 만들어진 양극을 발견할 수 있다. 충전과 방전 중에 리튬이온이 이 두 전극 사이를 왔다 갔다 하는데 코라트카르 박사는 흑연 양극을 칼륨 금속으로 대체함으로써 칼륨의 성능을 높였다는 것이다.

이 연구가 주목받은 것은 과거 자가 치유 기능을 가진 리튬 금속 배터리가 등장했지만 많은 열을 필요하므로 문제가 제기되었는데 칼륨으로 대체함으로써 이 문제를 해결할 수 있었다는 것이다. 학자들은 베터리 문제는 하루가 달리 바꿀 정도로 많은 연구자들의 총력전의 대상이므로 어느 방법이든 근간 좋은 결실이 등장할 것으로 생각한다.