전고체 배터리로 인한 수소차의 어두운 미래

전고체 배터리란?

 최근 "한국전기연구원"에서 전고체 배터리를 개발했다는 뉴스를 보신 적이 있을 것입니다. 그러면 현재 전기차에 사용하고 있는 리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 차이는 무엇일까요?  리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 리튬이온이 있는 액체 상태의 전해질이 있는 배터리를 말합니다. 그리고 가운데 부분에 분리막이 존재하고 있습니다. 분리막을 통해서 전자의 이동을 통해서 전기가 통하는 성질을 나타내는 배터리 입니다.

 반면 전고체 배터리는 액체 전해질 대신에 고체 전해질이 존재하고 있고, 이 고체 전해질이 분리막 역할까지도 하고 있는 배터리를 말합니다.

리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 구조 (출처 : 삼성SDI)

 그러면 전고체 배터리가 리튬이온 배터리보다 무엇이 좋길래 뉴스도 그렇고, 전기차에서 다소 뒤쳐지고 있는 일본의 "도요타"에서도 사활을 걸려고 하는 것일까요?

 리튬이온 배터리의 경우 사람들이 가장 우려하는 부분이 안전성 부분 입니다. 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하기 때문에 온도 변화로 인해서 배터리가 팽창이 되거나, 배터리에 손상을 입게 되면 전해질이 새는 현상이 발생할 수 있습니다.  이 경우 전해질이 기화하면서, 발화를 하게 되면, 옆에 있는 다른 배터리 셀에도 영향을 주게 되고, 그 결과 연쇄적으로 폭발이 일어날 수 있습니다. 이 현상을 "열폭주"현상이라 부르고 있고, 이 때문에 전기차에서 화재가 발생하게 되면 불을 끄는 것이 어렵게 됩니다.

 반면, 전고체 배터리는 고체이기 때문에 열에 의한 팽창이 상대적으로 작고, 손상이 되었을 때에도 배터리 동작에 문제가 없을 뿐더러, 화재의 위험도 아주 낮습니다.

 또한 전고체 배터리는 고체의 전해질이 있기 때문에 에너지의 밀도도 리튬이온배터리 보다 훨씬 높습니다. 그렇기 때문에 적을 공간을 배터리가 차지한 상태에서도 오히려 용량은 더 큰 사이즈로 적용을 할 수 있기 때문에 미래의 전기차 배터리로는 더더욱 안성맞춤이라는 이야기가 나오는 것입니다.

 하지만, 그동안 전기차 배터리로 사용이 되지 못한 이유에는 여러가지가 있지만, 핵심원료로 사용하던 "황화리튬"이 1kg당 천만원 정도로 비싼 재료였기 때문에 양산과 적용에 문제가 많이 있었습니다. 이번 한국전기연구원에서 황화리튬을 대체할 물질을 발견했고, 이를 이용한다면 1/25 정도로 싸지기 때문에 빠른 미래에 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 볼 가능성이 더욱 커졌습니다.

 

 

수소차의 원리

현대자동차 넥쏘 (출처 : 현대자동차)

 수소 전지를 이용한 자동차의 경우, 이름에서 알 수 있듯이 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산해 자동차를 움직이게 하는 것입니다. 수소를 이용하여 전기를 만드는 과정에 생산되는 부산물은 "물" 입니다. 그렇기 때문에 수소 전지차가 친환경 자동차라는 이야기를 하게 되는 것입니다. 수소 전지 차를 만들기 위해서는 수소를 저장할 탱크, 수소를 전기로 변환 시켜줄 수소 전지 스택, 여분의 전기를 저장해두고 사용할 배터리가 필요합니다.

 수소의 경우 상온에서 기체 상태로 있습니다. 그렇기 때문에 연료로써 저장을 해두고 다니기 위해서는 액체 상태로 탱크에 주입을 해둬야 연료로써 의미가 있게 됩니다. 그래서 수소를 주입을 하기 위해서는 전문적인 자격 취득한 사람이 주입을 해줘야하는 문제가 현재 있습니다. 그리고 수소 에너지 충전소를 여러군데 많이 만들기에도 어려움이 있는 편이기도 합니다.

 

수소차의 한계

 수소 차의 문제는 우선 충전 문제가 있습니다. 수소 연료를 충전하기 위해서 전기차나, 내연 기관의 자동차와 달리 차주가 직접 충전할 수 있는 시스템에 아닙니다. 얼마 없는 수소 충전소에 사전에 예약을 하고서 관리자에 의해서 충전을 진행하게 됩니다. 그렇기 때문에 24시간 운영하는 수소 충전소는 거의 없고, 항상 계획적으로 이용을 해야 합니다. 이 부분은 전기차보다 충전에 더 번거롭고 어려움이 많을 수 밖에 없습니다.

 수소 연료를 생산하고 저장할 수 있는 충전소 시설이 별로 없습니다. 또한 그 확장 속도 또한 너무나 느린 편입니다. 그렇기 때문에 장기간 여행을 함에 있어서 어려움과 걱정이 많이 되는 편이기 때문에 아직은 수소차에 어려움이 많이 있습니다.

 또한,  현재 수소 연료를 생산하는 부분이 친환경적이지 않은 부분도 문제 입니다. 수소 연료를 생산하는 데, 화석연료를 가공하는 부산물에서 얻어내고 있는 상태이고, 친환경적인 방법으로 수소 연료를 생산하는 것은 거의 없거나, 아주 소량 뿐인 상태입니다. 즉, 수소 연료로 전기를 만들어내는 부분은 친환경이나,수소를 만드는데는 환경 오염이 발생하는 아이러니한 상황입니다.

 수소 연료의 경제성이 떨어집니다. 현재 수소 연료를 충전하는 비용은 넥쏘 기준으로 가득 충전시 5~6만원 선입니다.  주행가능 거리는 609km 입니다. 반면 전기차의 경우 보통 전비가 1kW당 5km 정도 됩니다. 넥쏘와 동일한 km를 주행하기 위해서는 122kW가 필요합니다. 1kW당 충전비용이 300원 정도로 잡는다면, 3만 6천원 수준 입니다. 즉 넥쏘의 반값 수준입니다. 이런 점을 봤을 때 수소 연료 자동차에 한계가 온 것을 볼 수 있습니다.

 

미래는 수소 전지보다는 전고체 배터리

 전고체 배터리로 인해서 수소 전지의 경우 미래가 어두워 졌다고 생각합니다. 전고체 배터리를 적용하여, 배터리 가격이 인하되어 전기차 가격을 다운 시킬 수 있고, 전고체 배터리를 이용해 더 큰 용량의 배터리를 차량에 적용할 수 있게 될 것입니다. 그렇게 되면 주행거리도 개선이 되고, 안정성까지 확보하게 되는 것입니다.

 이런 상태에서 경제성 부분과 안전성 부분에서 앞서는 부분이 부족한 수소 연료 전지가 과연 효용이 있을지 의문입니다.