전기 자동차의 핵심인 배터리는 전기를 저장하는 용도로만 사용된다. 만약 자동차를 구성하는 다른 뼈대나 구조에 재료 전기를 저장하면 얼마나 좋을까?

이런 상상을 10여년간 연구한 스웨덴 차머스공과대학 (Chalmers University of Technology)연구팀이 경쟁력있는 ‘구조 전지’(structural battery)를 개발했다고 지난 1월 ‘첨단 에너지 & 지속가능성 연구’(Advanced Energy & Sustainability Research) 저널에 발표했다.

이 구조 전지는 지금까지 나온 모든 구조 전지의 저장 용량보다 10배 이상 높다. 아직은 배터리 전용인 리튬이온 배터리만큼 에너지를 저장할 수는 없다. 그러나 별도의 배터리 하중이 들어가지 않기 때문에 스마트폰, 전기자전거, 가전제품, 전기 자동차 등 다양하게 사용될 수 있다고 연구팀은 말했다.

배터리는 전기 자동차 무게의 상당 부분을 차지하지만, 하중을 지지하는 기능은 전혀 수행하지 않는다. 이에 비해 '구조 전지'는 전기차 구조의 기능을 수행하면서도 배터리 역할을 하는 새로운 개념의 획기적인 배터리이다. 예를 들어 구조 전지는 차체의 역할도 할 수 있다.

연구팀은 이 배터리에 '무질량'(massless) 에너지 저장이라고 이름을 붙였다. 왜냐하면 배터리 중량이 하중 지지 구조의 일부가 되면, 에너지를 저장하는 배터리 중량은 없는 것과 마찬가지이기 때문이다. 당연히 이런 유형의 복합기능 배터리는 전기 차량의 무게를 크게 줄일 수 있다.

전기 저장 능력 및 재료 강성 동시에 높아져

차머스 공과대학은 다년간에 걸쳐 구조 전지를 개발해왔다. 그중 하나가 특수 탄소섬유 배터리로서, 튼튼할 뿐만 아니라 전기 에너지를 화학적으로 저장하는 기능을 갖는다. 이 연구는 피직스 월드(Physics Wrld)가 선정한 2018년 10대 과학 발전의 하나로 뽑혔었다.

구조 전지를 만들기 위한 첫 시도는 2007년에 시작됐지만, 지금까지는 전기적 특성과 기계적 특성을 동시에 훌륭하게 발휘하는 배터리를 제조하는 것은 어려웠다.

그러던 중 차머스 대학 연구팀은 스웨덴 KTH왕립공과대학(KTH Royal Technology Institute)과 협력하여 전기 에너지 저장 및 재질의 강성면에서 지금까지 볼 수 없는 특성을 가진 구조 전지를 선보였다.

구조 전지는 탄소 섬유 전극과 리튬 철 인산염 전극으로 구성되며, 기계적인 동시에 전기적 기능을 결합하기 위해 구조적 배터리 전해액을 주입한다. 기본적으로 구조 전지 3개가 합성 라미네이트 재료를 사용하여 직렬로 연결된다. 개별 구조 전지의 공칭 전압은 2.8V이고, 3개 전지가 연결된 1개 라미네이트 배터리의 총 전압은 8.4V이다. 라미네이트의 강성은 28GPa를 조금 넘는다.

아직은 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도와는 차이가 난다. 새 구조 전지의 에너지 밀도는 24Wh/kg로, 현재 사용 가능한 동급 리튬이온 배터리의 약 20%의 용량을 갖는다. 그러나 별도 배터리를 싣지 않기 때문에 차량 중량을 크게 줄이므로, 전기 자동차 운전에 필요한 에너지가 줄어든다. 전기 에너지 밀도가 낮아지면 안전성도 높아진다. 25GPa 강성을 가졌기 때문에 구조 전지는 일반적으로 사용되는 다른 많은 재료와 경쟁할 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

"지금까지 나온 구조 전지는 기계적 특성만 좋거나 혹은 전기적 특성만 훌륭한 불완전한 형태였다. 이번에는 탄소섬유를 사용하여 경쟁력 있는 에너지 저장 용량과 견고성을 모두 갖춘 구조 전지를 설계하는 데 성공했다"고 연구책임자인 차머스 대학의 레이프 아스프(Leif Asp) 교수는 설명했다.

탄소섬유 사용, 알루미늄보다 가볍고 튼튼해

새 배터리는 탄소섬유로 만든 음극 전극과 리튬 철 인산-코팅 알루미늄 호일로 만든 양극 전극을 가지고 있다. 음극과 양극은 전해질 매트릭스에서 섬유 유리 천으로 분리된다.

현재, 스웨덴 국립 우주국이 지원하는 새로운 프로젝트가 진행 중이므로, 구조 전지의 성능이 더 향상될 것이다. 알루미늄 포일은 탄소 섬유로 대체되어 강성과 에너지 밀도를 높이고, 섬유 유리 분리기는 초박형 모델로 교체되면 저장 능력이 늘어나고 충전 주기도 더 빨라질 전망이다.

레이프 아스프 교수는 그럴 경우 구조 전지가 75Wh/kg의 에너지 밀도와 75GPa의 강성에 도달할 수 있다고 예상한다. 이것은 구조 전지가 알루미늄 만큼 튼튼하지만, 훨씬 가벼워진다는 것을 의미한다.

2010년에 구조 전지에 관한 첫 논문을 발표한 아스프 교수는 "몇 년 안에 작으면서도 현재보다 무게가 절반인 스마트폰, 노트북, 전기 자전거를 제조하는 것이 가능할 것"이라고 말했다.

장기적으로 전기 자동차, 전기 비행기, 인공위성도 구조 전지로 설계되고 작동될 것으로 예상된다.