자율주행자동차(8) : 하이브리드

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<하이브리드 전기자동차>

전문가들의 예측이 항상 맞아 들어가지 않을 것을 모르는 사람은 없다.

이는 전기자동차 개발에서도 예외는 아니므로 현재 상황을 면밀히 검토한 학자들은 중재 단계가 필요하다고 생각한다. 즉 본격적인 전기자동차는 물론 연료전지 자동차가 개발되기 전 나름대로의 중재안이 필요하다는 것이다. 바로 하이브리드 전기자동차(HEV)다.

전기자동차와 연소엔진 자동차의 장단점을 접목시킨 것으로 전기 모터와 내부 연소 엔진을 사용하는 시스템이다. 즉 하이브리드 전기자동차는 전기로만 작동하지 않는다. 하이브리드 전기자동차는 전기에너지를 배터리에 충전시켜 사용함으로써 자동차의 에너지사용에서 가솔린 연료사용 부분을 부분적으로 대체한다. 즉 내연기관의 엔진과 전기차의 모터를 동시에 갖춘 차로 일정속도 이상을 달릴 때는 연료를 태우면서 작동하고 그 이하일 때는 전기자동차처럼 전기모터로 달리는 것이다.

현재 가동 중인 전기차는 기본적으로 고전압 대용량 배터리에 전기를 저장하고 저장된 전기를 이용해서 모터를 돌려 자동차를 굴리는 방식이다. 여기에 사용되는 배터리는 개별 배터리 팩을 대량 즉 수천 개에서 수만 개를 직렬 병렬 연결해서 고전압 고용량 고출력 배터리를 구현한다. 사실 가장 단순한 방법으로 이 단순함이 전기자동차가 등장할 수 있는 원동력으로 미국 테슬라, 현대자동차에서도 이를 적용한다.

그동안 전기자동차 배터리에서 가장 큰 문제 중에 하나가 고출력 문제인데 수많은 배터리를 직렬 병렬 연결하므로 그동안의 문제점을 간단하게 해결한 것이다. 즉 각 배터리 셀에서 약간의 전기만 나와도 수천 개 배터리가 합쳐지므로 엄청나게 큰 출력을 만들 수 있다는 뜻이다.

전기자동차 배터리의 또 다른 문제는 고용량 문제다. 전기차에 에너지를 많이 담아 놓아야 장거리를 운행할 수 있는데, 문제는 에너지 용량을 키울 수 있는 방법이 생각보다 많지 않다는 점이다.

현재 대부분 사용하는 리튬이온은 주기율표 상에서 가장 가볍고 작으면서 동시에 전압차도 가장 크게 만들 수 있는 원소다. 더 작은 원소로 수소 및 양성자(수소이온)이 있지만 이들은 기본적으로 1.2V 밖에 나오지 않는다. 그런데 리튬이온이 4V를 얻을 수 있으므로 폭발적인 호응을 얻는 것이다. 그럼에도 불구하고 리튬이온으로 보다 큰 용량을 얻고자하지만 현재의 기술로는 두 배 이상 키우는 것이 만만치 않다. 핸드폰 배터리 용량이 두 배 이상 커지지 않는 것과 같은 원리이다.

 

토요타 하이브리드 프리우스

여기에 충전 시간도 가세한다. 일반 자동차의 경우 주유소에서 몇 분만 기다리면 주유가 끝난다. 그러나 전기자동차 배터리는 이 기준을 맞추는 것이 사실상 불가능하다. 리튬이온을 탄소물질 혹은 그 비슷한 물질을 구석구석에 끼워 놓는 것이 충전인데, 이 과정이 기본적으로 많은 시간이 걸리기 때문이다.

전기자동차에서 가장 큰 지적으로 떠 오르는 것은 앞에서 이미 설명했지만 배터리의 수명이다. 리튬이온을 물질 사이에 반복 삽입 또는 퇴출시켜야 하므로 필연적으로 충방전 과정에서 변형 및 퇴행을 겪는다. 학자들에 따라 다르지만 일반적으로 1,000번 완전 사이클(full cycle)을 수명으로 보는데 이는 3년 정도의 기간을 뜻한다. 핸드폰 배터리를 매일 충전하고 대략 3년 쓰면 거의 사용 못하는 것과 같은 현상이다.

일반적으로 핸드폰 배터리를 약 2년마다 갈아주는데 자동차 바테리를 2년마다 갈아준다는 것은 원천적인 문제가 되지 않을 수 없다. 물론 수학자들이 다소 놀라운 계산식을 제시한다.

1회 충전에 300km 가는 전기 자동차를 1,000번 완전 싸이클로 사용하면 대략 300,000 km가 된다. 각 개인이 30만 킬로미터 주행하는 동안 얼마를 사용할지 체크해보라는 것이다. 대체로 20만 킬로미터를 10년 정도에 사용한다면 전기자동차 충전으로 견딜만 하다는 뜻이다. 현재의 수준으로 전기자동차 배터리는 10년 200,000km까지 65%의 성능을 보장한다고 알려진다.

학자들은 전기차 배터리 문제를 한 번에 해결하는 방법은 리튬이온 배터리 용량을 계속 키우는 것이라고 말한다. 배터리를 더 많이 붙이면 고출력, 충전시간, 고용량 문제가 자연스럽게 해결된다는 것이다.

물론 이럴 경우 더 많은 배터리를 장착해야 하므로 차체가 무거워지는 문제가 발생한다. 더불어 리튬이온 배터리의 가격이 계속 상승하는 것도 걸림돌이다. 다소 비관적인 이야기이지만 지구상에 존재하는 모든 리튬이온을 사용해도 현재 가동되는 모든 자동차를 전기자동차로 바꿀 수 없다는 주장도 있다. 이 말은 리튬이온이 한정돼 있으므로 결국 가격 문제에 봉착한다는 뜻이다.

이에 등장하는 대안이 바로 하이브리드 자동차이다.

엄밀한 의미에서 하이브리드 자동차는 기본적으로 가솔린 자동차다. 주 에너지원이 가솔린이므로 전기를 따로 충전할 필요가 없다. 현재 사용되는 화석연료 자동차로 휘발유 등을 넣어주면 자동차가 알아서 가솔린과 전기 모드를 왔다 갔다 한다는 뜻이다.

가솔린을 태워서 만들어 낸 에너지를 이용해서 자동차를 굴리고, 남은 에너지를 끌어 모아 전기로 저장했다가 보조 동력원으로 사용하므로 기술적으로도 어려움이 없다. 하이브리드 자동차 배터리의 장점은 주행 중 자동으로 충방전되므로 수명이 길다. 바로 이 점을 감안하여 현대 자동차가 배터리 평생 보증을 내건 이유이다.

하이브리드 자동차인 경우 얕은 충방전이 중요하므로 자동차 배터리를 완충 상태에서 운전하지 않는다. 즉 중간 정도 충전한 상태에서 운전하면서 어느 정도 충전하면 바로 사용하고 어느 정도 방전되면 엔진으로 충전하는 방식이다.

참고적으로 현대자동차의 그랜져IG 하이브리드 평균 연비가 16 km/l로 알려진다. NF소나타보다 2.5배 더 많은 거리를 달리는데 같은 연료로 400km 달릴 때 1,000km를 달릴 수 있다는 뜻이다. 이는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선이 높아졌기 때문이다.

그러나 하이브리드차는 자동차가 내연기관차에서 전기차로 넘어가는 과도기적 차량이라는 시각이 지배적이지만 내연기관차에 대한 환경 규제가 급속도로 강화되고, 전기차 보급이 충전 시설 등의 문제가 간단하게 해결되지 않는다는 시각도 있다. 학자들에 따라 전기자동차와 하이브리드 자동차 경쟁에서 하이브리드 자동차가 상당히 오랫동안 경쟁력을 가질 수 있다고 주장하는 이유다.

 

<배터리 문제 해결>

현재의 배터리를 사용하는 전기자동차에 많은 문제점이 제기 되는데 이에 대응할 수 있는 배터리가 근간 개발될 수 있다는 전망도 있다.

세계 자동차 시장의 강자인 일본 도요타자동차는 각국의 전기자동차 개발 시장과는 달리 순수 전기자동차 대신 하이브리드카와 수소전기차 개발에 집중하고 있다. 도요타의 이런 행보는 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 기술 개발 때문인데 그들의 설명에 의하면 5분 만에 충전하여 500㎞를 달릴 수 있다는 기술을 개발했다는 것이다.

리듐 배터리는 전지의 양극(+)과 음극(-) 사이를 리튬이온(Li)이 오가며 충전과 방전하는 원리다. 리튬이온이 음극으로 몰려가면 전기가 충전되고 양극으로 이동하면서 전류가 발생한다. 그런데 문제는 리튬이온 배터리의 전해질이 액체라는 점이다. 과도한 열이나 충격, 압력을 받으면 액체 전해질이 흘러내려 폭발할 수 있다.

반면 전고체 배터리는 리튬이온 배터리와 차원이 다르다.

리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 함께 있지만, 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신한다.

리튬이온 배터리에서 가장 우려되는 부분은 바로 안전성이다. 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하므로 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시의 위험성이 존재한다. 그래서 안전성을 높이기 위한 부품이나 장치들이 필요하다. 이에 반해 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있다.

 

리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 개념도

가장 큰 장점은 리튬이온 배터리보다 용량이 크다는 점이다. 전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높다는 점이다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 물질을 채울 수 있다. 전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 전기차용 배터리로 적격이라는 뜻이다.

특히 가장 큰 장점은 1회 충전 시 주행거리가 월등하게 길어지는데다 충전 시간도 30분〜1시간에서 5〜10분 정도로 확 줄어든다. 그런데 전고체 배터리가 많은 장점을 갖고 있음에도 상용화되지 못한 대표적 이유로 '이온전도도 문제'가 꼽힌다.

이온전도도는 전해질 속에서 이온이 얼마나 잘 이동하는지를 나타내며 이것이 높을수록 배터리의 성능이 좋다. 고체 전해질은 액체 전해질의 이온전도도를 아직 따라가지 못한다는 뜻이다. 그런데 아직 고체 전해질의 이온전도도가 액체 전해질에 비해 낮지만, 이론적으로는 고체가 액체보다 이온전도도가 높다는 연구 발표도 있다.

학자들은 이들 문제가 조만간 해결될 것으로 생각하므로 현재 세계는 전고체 배터리 전쟁 중이라 볼 수 있다. 미국의 스타트업 퀀텀스케이프는 개발 중인 전고체 배터리가 15분 안에 80%를 충전할 수 있는 수준에 이르렀다고 밝혔다. 1회 충전 시 주행거리는 300마일 즉 약 483㎞이며 배터리 수명도 12년에 달한다고 발표했다. 이 회사는 빌 게이츠 마이크로소프트(MS) 창업자와 세계 자동차 판매량 1위인 독일 폭스바겐이 투자한 회사다. 폭스바겐은 2025년부터 전기차 생산에 퀀텀스케이프의 전고체 배터리를 활용하겠다고 발표했다.

 

액체및고체전해질비교도(KIST)

현대자동차도 전고체 배터리를 탑재한 자동차를 2025년 시범생산하고 2030년 본격적으로 양산하겠다고 발표했다. 현대차는 자체적으로 전고체 배터리를 개발하고 있지만 삼성SDI, LG에너지솔루션 등과 협업 가능성도 거론된다. <삼성전자종합기술원>이 1회 충전으로 주행거리 800㎞, 1,000회 이상 충전할 수 있는 전고체 배터리 연구 결과를 공개하기도 했다. 독일 BMW도 전고체 배터리 전기차를 2025∼2026년경 출시할 계획으로 알려진다.

배터리 경쟁이 격화하는 이유는 전기차 전환에 가속도가 붙고 있기 때문이다. <딜로이트>사의 예측에 의하면 세계 전기차 판매량은 2020년 약 250만 대에서 연평균 29%씩 증가해 2030년 약 3,100만 대에 이를 것으로 예상했다.

이에 부응하여 내연기관 차량 퇴출을 선언하는 국가도 늘고 있다.

영국 정부는 내연기관 신차 판매를 2030년 금지하고 2035년에는 하이브리드카 판매도 중단할 계획이다. 프랑스는 2040년 내연기관차 판매를 금지한다는 목표를 제시했으며 미국 캘리포니아주와 중국은 2035년, 노르웨이는 2025년, 일본 도쿄도는 2030년부터 각각 내연기관 차량의 판매 중단을 계획하고 있다. ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리가 예상대로 개발된다면 전기자동차의 상당 부분에 대한 문제점이 기본적으로 제거된다는 것을 의미한다.