|
 지난 2010년, 배터리 업체인 A123 System은 지금의 전기자동차보다 저가의 비용으로 더 멀리 운행할 수 있는 새로운 배터리를 만들고자 24M이라는 회사를 스핀아웃(Spin Out) 하였다. 이제 Advanced Energy Materials에 발표된 연구논문에 따르면 이러한 경제적인 배터리가 어떻게 작동할 수 있는지 세부적으로 설명하고 있다. 또한 시장에 진입하기 위해 해결되야할 도전과제에 대해서도 다루었다.
전기 및 플러그인 하이브리드에 사용하는 리튬이온 배터리의 큰 문제점은 에너지를 저장할 수 있는 물질이 배터리 크기의 약 25%만을 채울 수 있다는 점이다. 나머지 부분은 패킹재나 전도성 박(Conductive Foil), 접착제 등으로 이루어져 있으며, 이들은 배터리 비용의 상당한 부분을 차지한다. 24M은 이러한 배터리 내부의 비활성 물질을 줄이고자 노력하고 있다. 이번 논문에 따르면 새로운 배터리는 기존 자동차 배터리팩의 2배에 가까운 에너지를 저장할 수 있는 것으로 나타났다. 고에너지밀도를 가진 배터리는 소형이면서 경제적이기 때문에 전기 및 하이브리드 자동차의 가격을 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 논문은 배터리의 가격이 kWh당 250불 정도로 예상하였으며, 이는 지금 가격의 절반 수준이다.
일반 배터리팩은 수백개의 셀로 구성되어 있다. 각각의 셀은 다수의 얇은 고체 전극을 포함하고 있다. 이들 전극들은 금속박 집전장치(Metal Foil Current Collectors)와 쌍을 이루고 있으며, 플라스틱 필름으로 각각 분리되어 진다. 여기서 에너지 저장량을 증가하기 위해서는 더 많은 전극 물질, 금속박, 플라스틱 필름을 추가하는 과정이 필요하다. 24M의 배터리는 추가적인 금속박이나 플라스틱 필름 없이도 에너지 저장을 개선하도록 설계되어 있다. 가장 중요한 차이점은 전극이 셀 내에 스택(Stack) 되어있는 얇은 고체 막이 아니라 탱크에 저장되어 있는 슬러지(Sludge)와 같은 물질이라는 것이다.
이들 물질은 채널을 통해 탱크에서 소형 장치로 보내어진다. 이때 이온은 한 전극에서 일반 배터리에서 사용되는 분리막과 같은 물질을 통해 다른 전극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 흐르게 된다. 이러한 설계에서 에너지 저장량을 증가하는 것은 에너지 저장 탱크의 크기를 증가시키는 것 만큼 간단하다. 또한 충분한 에너지를 저장하기 위해 수백개의 셀을 함께 묶을 필요가 없어진다. 새로운 배터리는 2개의 전해질이 탱크에서 펌핑되는 흐름전지(Flow Battery)와 유사하다. 그러나 일반 흐름전지는 희석된 에너지 저장 용액을 사용하기 때문에 24M에서 설계한 배터리보다 10배 정도 크다. 따라서 전기자동차에 적용하기는 어렵다.
MIT 재료공학과 교수이자 A123 System, 24M의 창립자인 Yet-Ming Chiang가 이끌고 있는 연구팀은 노트북 배터리에 공통적으로 사용되는 리튬 코발트 산화물 (Lithium Cobalt Oxide)등 다양한 물질을 테스트하였다. Chiang 교수는 이번 논문에서 전기자동차에 필요한 속도로 충전 및 방전이 가능함을 보여주었다. 또한 배터리 설계에 있어 가장 어려운 난제인 슬러지에서 전하를 끌어내는 문제를 어떻게 다루었는지 설명하고 있다. 일반 리튬이온 전지에서 전자들은 집전장치에 도달할 때까지 고체 전극 내에 서로 연결된 전도성 입자들을 통해 움직일 수 있다. 그러나 이번 새로운 배터리는 전자가 전해질을 통해 흐르지 않는다. 따라서 Chiang 교수와 연구팀은 나노단위의 탄소 입자를 슬러지에 혼합하여 연결된 네트워크를 형성하였으며, 이를 통해 전자가 빠져나갈 수 있게 하였다.
배터리의 상업화를 위해서는 아직 해결해야 할 과제들이 있다. 예를 들어 아직까지 전기전도도가 실용 시스템에서 필요한 수준보다 100배 정도 낮다는 것이다. 따라서 Chiang 교수는 슬러지 내 활성물질의 농도를 증가하는데 노력하고 있다. 캐나다 달하우지대학(Dalhousie University) 물리화학과 교수인 Jeff Dahn는 자동차에 실용적으로 사용될 수 있을 정도의 동력을 공급하기 위해서는 이 전기화학전지의 크기가 더 증가해야 한다고 지적한다. Dahn 교수는 “분리재는 약 3x4미터 되는 면적을 커버해야 한다. 분리재를 다루기 쉬운 크기로 잘라 연결할 수 있으나 이러한 방법은 시스템을 더 복잡하게 만들 수 있으며, 셀의 부피도 커질 수 있다.”고 덧 붙였다. 24M의 CEO인 Throop Wilder는 이번 논문이 저널에 받아들여진 것은 개발과 관련된 기본 원리들을 입증하는 것이라고 강조하였다. 24M은 현재 20명이 근무하고 있고 지금까지 약 16백만달러(약 170억원)의 연구자금을 마련하였다.
출처 : http://www.technologyreview.com/energy/37632/page1/ |