배터리 무게 '0'에 도전한다…구조형 배터리 기술 주목

전기차, 전기 항공기 등 차세대 이동 수단에 배터리는 필수 사항이다. 얼마나 오래가고 가벼우며 안정적인 배터리를 탑재하느냐에 따라 차량의 성능이 결정된다. 내연기관 자동차로 따지면 엔진과 연료시스템 전체가 배터리 시스템으로 대체된다.

전기차나 전기 항공기에서 배터리는 충전 성능 만큼이나 중요한 요소가 바로 무게와 부피다. 현재 리튬 기반 배터리는 비교적 뛰어난 충전 성능은 갖추고 있으나 화재 등 안전성에 취약하고 무겁다는 것이 단점으로 꼽힌다. 보통 세단형 혹은 SUV형 전기차의 무게는 2톤이 넘어가는데 대부분 배터리 때문이다.

때문에 가벼우면서도 구조적으로 안정적이고 튼튼한 배터리를 만들기 위한 노력이 끊임없이 진행되고 있다. 이러한 노력 중 하나가 바로 구조형 배터리(structural battery)다. 구조형 배터리는 배터리를 따로 장착하지 않고, 차량을 이루는 프레임이나 모노코크 구조 자체를 배터리로 만드는 것을 말한다.

현재 전기차 분야에서는 테슬라가 지난해 배터리 데이 발표 당시 이러한 구조형 배터리 기술을 적용하겠다고 밝힌 바 있다. 전기차 하부 프레임에 신형 4680 원통형 배터리를 직접 연결해, 기존 전기차 배터리 플랫폼을 대체한다는 계획이다.

스웨덴 차머스 공대(Chalmers University of Technology)에서 최근 발표한 구조형 배터리 기술은 테슬라의 것보다 한 단계 더 나아간다. 차량이나 항공기를 이루는 구조체와 배터리를 아예 일체화시키는 기술이다.

별도의 배터리 탑재 공간이 필요치 않지만, 용량은 종전보다 10배 이상 높다. 때문에 전기차는 물론 무게를 중요시하는 전기 자전거, 전기 항공기, 휴대용 소형 가전에 안성맞춤인 배터리다.

미항공우주국(NASA)에서 연구 중인 전기 항공기

이론적으로 별도의 배터리를 탑재할 필요가 없으므로 배터리 무게는 '0'다. 다만, 일반 구조체에 리튬 이온 배터리 구조를 결합하기 때문에 기존 구조체보다 무게는 20% 정도 더 나간다.

차머스 공대 연구팀의 레이프 아스프 교수는 ...

"지금까지 나온 구조형 배터리는 전지 성능과 무게 경감이 목적이었다. 연구팀이 개발한 신형 구조형 배터리는 탄소 소재를 활용해 성능과, 무게, 강성이라는 세 마리 토끼를 한꺼번에 잡을 수 있다는 점에서 장점을 지닌다"

신형 구조형 배터리가 아직 에너지 밀도 면에서 뒤처지지만, 추가적인 배터리 관리 기술 개발과 설계를 통해 간극을 좁혀나갈 수 있을 것으로 보고 있다. 몇 년 안에 개발 중인 구조형 배터리가 75Wh/kg의 에너지 밀도와 75GPa의 강성에 도달할 수 있을 것으로 보고 있다. 이는 구조가 알루미늄만큼 튼튼하고 가벼워진다는 것을 의미한다. 

연구팀은 구조형 배터리가 실용화될 경우, 전기차는 물론 전기모터를 이용한 드론이나 전기 항공기 개발도 한결 손쉬워질 것으로 기대하고 있다.

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