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[1Round] 배터리 vs 연료전지 :: 기술
[전기차] 충전시간 줄이고 주행거리 늘리고 vs [수소차] 가격은 낮추고 안전성은 높이고
확대보기전기차 EV

충전시간 줄이고 주행거리 늘리고

충전 인프라, 연료비에서 우세
포스트 리튬이온 배터리에 기대

바야흐로 전기차 전성시대를 맞아 전기차 배터리 업계도 덩달아 들썩이고 있다. LG화학을 필두로 삼성SDI, SK이노베이션, 이른바 K-배터리 3사가 글로벌 배터리 시장을 주도하고 있다. LG화학의 경우 코나EV, 테슬라 모델3, 르노ZOE, 아우디 e-트론(95㎾h) 등의 모델이 사용되었고, 삼성SDI는 아우디 e-트론(71㎾h), 폭스바겐 파사트, e-골프 등에, SK이노베이션은 니로EV, 현대 포터2 EV, 소울 부스터, 기아 봉고 등에 사용되면서 점유율을 높여가고 있다. 특히 2030년부터 유럽을 중심으로 전 세계가 내연기관 자동차를 퇴출하려는 움직임을 보이면서 전기차의 수요만큼 전기차 배터리 수요도 늘어날 것이라는 전망이다.
전기차는 배터리 충전시간과 성능, 주행거리에 있어서는 수소차보다 다소 아쉬움이 있다. 현재 국내에 시판되고 있는 전기차 중 1회 충전 주행거리가 가장 긴 차는 테슬라의 프리미엄 세단 S로, 1회 충전으로 451㎞ 주행한다. 현대의 코나 일렉트릭은 1회 충전으로 406㎞, 나머지는 모두 400㎞ 이하다. 업계에서는 주행거리와 출력의 한계를 극복할 수 있는 배터리 기술개발에 열을 올리고 있다. SK이노베이션의 경우 1회 충전으로 510㎞를 달리는 전기차 배터리 NCM811을 개발했다. 이 배터리는 코발트와 망간의 비율을 낮추고 니켈 비율을 높임으로써 에너지 밀도가 높아지고, 주행거리도 기존 대비 100㎞ 이상 늘어났다.
기존 리튬이온 배터리의 한계를 넘은 리튬황, 리튬공기, 전고체 배터리에서 답을 찾는 움직임도 있다. 특히 전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 훨씬 높고, 폭발 위험이 없을 뿐 아니라 별도의 냉각장치가 필요 없기 때문에 비용까지 절감할 수 있어 현재 배터리 업계가 가고자 하는 최종 목적지라는 말까지 나오고 있다.
K-배터리 3사 중 전고체 배터리 개발에 가장 집중하고 있는 곳은 삼성SDI로, 올 초에 1회 충전으로 800㎞를 주행하고 1,000회 이상 재충전이 가능한 전고체 배터리 기술을 공개했다. 완성차 기업인 현대자동차도 전고체 배터리 상용화를 위한 기술 선점에 나섰다. 지난해 미국의 전고체 배터리 개발 기업인 아이오닉 머티리얼스에 투자해 관련 기술을 확보하는 한편, 최근 현대자동차는 배터리 3사와 자리를 마련해 미래 전기차 배터리 사업 생태계 구축을 위한 파트너십을 구축하는 행보를 보이고 있다. 전고체 배터리가 포스트 리튬이온 배터리로 유력하지만, 풀어야 할 과제도 많다. 이를 위해 대학 및 정부 출연 연구기관, 중소기업 등이 함께 고에너지 차세대 전지용 전극소재 개발을 위한 컨소시엄을 구성해 고체 전해질 등을 개발하고 있는 상황이다.

확대보기수소차 FCV

가격은 낮추고 안전성은 높이고

에너지원 이용 가능성, 주행거리, 충전시간에서 우세
기술 장벽 낮추는 정부 지원 절실

수소차의 핵심은 내연기관의 엔진에 해당하는 연료전지 시스템이다. 수소차에는 별도의 연료전지 시스템이 있다. 일종의 전기를 만드는 발전기다. 여기서는 수소와 산소를 결합해 전기를 만든다. 시스템 안에서 전기를 만들다 보니 수백 볼트의 고전압이 흐른다. 때문에 전기안전성과 수소안전성 확보가 무엇보다 중요하다.
현대자동차그룹(이하 현대차)은 1998년 처음 수소차 개발에 착수해 2001년 75㎾급 연료전지를 탑재한 수소차 ‘싼타페FCEV’를 개발했다. 한번 충전으로 160㎞를 달리며 최고 시속 124㎞를 기록한 싼타페는 비록 시제품이었지만 세계 최초로 350기압 수소 충전에 성공해 전 세계의 이목을 집중시키는 한편, 수소연료전지의 핵심 부품들을 국산화시키며 양산 단계로 갈 수 있는 교두보를 마련했다.
현대차가 세계 최초로 양산형 수소차를 선보인 것은 2013년이다. 1세대 수소차 투싼 ix35는 100㎾급 연료전지 시스템과 2개의 수소 저장탱크를 내장, 1회 충전으로 주행거리가 588㎞에 최고속도 시속 160㎞를 기록했다. 이후 2018년 2세대 수소차 넥쏘를 양산, 글로벌 누적 판매 1만 대를 달성했다. 이는 수소차 중 가장 많은 판매량이며, 그 기반이 된 수소연료전지 기술은 세계 최고 수준으로 평가받고 있다. 넥쏘는 5분 충전으로 600㎞의 주행거리를 기록, 영하 30℃에서도 시동이 걸리며 10년, 16만㎞의 내구성을 보증할 만큼 일반 내연기관과 비슷한 수준으로 끌어올렸다.
다만 수소는 가볍고 반응성이 큰 가연성 물질이라는 불안전성과 연료전지의 전해질 촉매제로 들어가는 백금 가격이 비싸다는 단점이 있다. 먼저 안전성 면에서는 연료전지 스택 내에서 충돌 시 변형이나 전기적 쇼크를 방지하기 위한 구조물을 적용하는 기술이나 외부 충돌로 연료전지 시스템을 제어할 수 없을 경우, 주행 중에 유지되는 고전압을 빠르게 소모하는 설계기술 등 안전을 고려한 기술들이 발 빠르게 적용되고 있다. 또한 국제적으로 수소차의 안전성 확보를 위한 국제 기준(GTR : Global Technical Regulation)이 제정되어 꾸준히 개정되고 있다.
연료전지 스택의 가격을 낮추는 방안으로는 백금 사용량을 줄이는 방법이 유력하다. 현대차의 넥쏘는 기존 모델에 비해 백금 사용량을 25% 이상 줄였는데, 3세대 수소차에선 50% 줄이는 것이 목표다. 또 백금 촉매를 재활용하는 방안도 고려되고 있다.
현대차는 신기술 개발을 통해 고출력 시스템, 경량형 고밀도 시스템 등 차세대 수소연료전지 시스템 라인업을 확대하는 등 세계 최고 수준의 기술 우위를 지속적으로 강화해나가고 있다. 하지만 한편에서는 관련 분야 기술독과점 정도가 높고, 국내 시장에서 중소기업의 진입장벽이 높은 것으로 파악되어 정부 출연 연구기관 등의 적극적인 중소기업 기술 지원이 요구되고 있다.

최진희

조회수 : 3,539기사작성일 : 2021-06-07
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