[Tech & Trend]휘발유차 주유하듯 배터리액 넣어 전기차 충전

신개념 배터리 개발 총력

한국에너지기술연구원이 개발 중인 ‘레독스 흐름 배터리’의 모습. 배터리액을 외부 탱크에 보관해 두고 순환시키며 전기를 만들 수 있는 ‘플로셀 배터리’의 일종이다. 발전소나 대형 빌딩 등에서 사용 가능한 ‘대용량 에너지 저장장치(ESS)’로 사용할 목적으로 연구 중이다. 한국에너지기술연구원 제공

가까운 미래. 고속도로를 달리던 자동차가 휴게소에 들어섰다. 겉모습은 여느 주유소나 다를 것 없이 생겼지만 연료주입장치를 하나가 아닌 두 개를 동시에 차량에 꽂는 점이 달랐다. 3분 뒤 출발한 이 차는 기름 대신 배터리액을 교체한 전기자동차다.

전기자동차는 장점이 많다. 소음과 진동이 적어 승차감이 우수하다. 미세먼지나 이산화탄소를 배출하지도 않아 도시 환경 개선에도 도움이 된다. 그러나 배터리 수명과 충전시간을 내연기관과 비교하면 아직 갈 길이 멀다.

르노삼성자동차의 전기차 ‘SM3 Z.E’를 예로 들어보자. 이 자동차는 한 번 충전하면 최대 135km를 달릴 수 있다. 그러나 여름철 에어컨 사용 등을 감안하면 차를 움직일 수 있는 시간은 줄어든다. 급속충전을 하면 이마저도 80%만 충전이 가능하다. 급속충전에 걸리는 시간이 30분 남짓이니 결국 고속도로 등을 주행하려면 한 시간 남짓 달리고 다시 30분 남짓 충전하는 일을 반복해야 한다. 이런 문제를 풀기 위해 기술자들은 다른 해결책을 찾기 시작했다.

○ 충전소에서 기름 대신 ‘배터리액’ 교체

최근 대안으로 주목받는 방식 중 하나가 플로셀 배터리(Flow Cell Battery)’다. 본래 배터리 내부에 들어 있어야 할 ‘전해질액(배터리액)’을 외부의 탱크에 담아두고 순환시키면서 전기를 만든다. 본래 발전소나 대형 빌딩 등에 전기를 공급하기 위한 ‘대용량 에너지저장장치(ESS)’에 쓸 목적으로 개발하던 것이지만 최근에는 자동차 업계에서도 주목받고 있다. 국내에선 한국에너지기술연구원(에너지연)에서 ‘레독스 흐름 배터리’란 이름으로 발전소 등에 사용할 ESS로 쓰기 위해 연구 중이다. 자동차 응용 분야 역시 연구되고 있다.

실제로 이 배터리를 이용해 자동차를 개발한 업체도 있다. 2014년 7월 독일 자동차 관련 연구개발 기업 나노플로셀AG는 주행거리가 600km 이상이고, 최고출력 920마력이 넘는 고성능 전기차 ‘콴트 e-스포츠리무진’을 개발했다. 독일 기술감독협회 인증을 받은 이 차는 일반도로에서도 주행할 수 있다. 아직까지 상용화는 되지 않았다.

물론 플로셀 배터리도 단점은 있다. 배터리액을 분리해 이용하다 보니 무게가 30% 정도 더 나가는 데다 전기를 일으키는 물질(전해질)을 액체 상태로 만들어 두어야 하므로 추운 날씨에 문제가 된다. 진창수 에너지연 ICT ESS 연구실 책임연구원은 “플로셀 배터리를 자동차에 적용하려면 아직 관련 기술이 부족하다”며 “10년가량은 실용화 단계가 필요할 것”이라고 말했다.

가장 간단한 방법은 배터리 교환소에 들러 배터리를 통째로 갈아 넣는 것이다. 기술적으로는 즉시 실용화가 가능하다. 국산 전기자동차도 이 기능을 갖고 있다. SM3 Z.E의 경우 교체에 10분이 채 걸리지 않는다. 르노삼성 측은 “특별 교체 시스템을 이용하면 1분 내에도 가능하다”고 설명하고 있다.

그러나 이 방법은 소비자들의 호응이 낮다. 비싸게 구입한 새 배터리를 공용 배터리와 교체하는 것이 꺼려지기 때문이다. 전기자동차 모델마다 다른 배터리 형식도 걸림돌이다.

○ 무선전력전송, 고성능 배터리 개발 등 아이디어 다양

자동차가 도로에서 무선으로 전기를 전송받아 운행하면서 동시에 배터리를 충전받는 기술도 이미 실용화 단계다. KAIST에서 ‘온라인전기차(OLEV)’라는 이름으로 개발한 바 있다. 그러나 이 방식은 전력 공급을 위한 대규모 도로공사가 필요해 실용화가 더디다. KAIST 측은 철도나 버스 등 정해진 구간을 운영하는 차량을 목표로 실용화를 추진 중이다.

일부에선 배터리의 기본 성능을 더 끌어올려 문제를 해결하려는 노력도 하고 있다. 강정구 KAIST 교수팀은 2016년 10월 리튬이온 소재와 초고속충전기술(슈퍼커패시터)의 장점만을 조합한 하이브리드 에너지 저장기술을 개발했다고 밝혔다. 기존 배터리에 비해 충전시간이 100배 이상 빨라질 것으로 보여 실용화될 경우 전기차 상용화에 큰 보탬이 될 것으로 보인다.

신동옥 한국전자통신연구원(ETRI) 연구원은 “최근 20분 이내에도 충전이 가능한 시스템도 등장하는 등 배터리 기술도 점점 좋아지고 있지만 아직은 한계가 있다”면서 “충전시간을 주유시간을 비슷하게 맞추려는 노력은 모든 관련 분야 연구자들의 숙제일 것”이라고 말했다.

전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com