▲ 전기차 시장 전망(자료:SNE리서치).

■배터리를 사면 차를 덤으로 준다?

전기차가 이차전지시장에 얼마나 큰 영향을 미치는지 알 수 있는 데이터가 있다. 에너지시장 전문조사기관 SNE리서치에 따르면 아이폰에 들어가는 리튬이온 배터리(1,450mAh)를 한 개로 본다면 하이브리드카(HEV)엔 260개, 플러그인하이브리드카(PHEV)엔 3,000개, 전기차(BEV)엔 4,500개가 들어가는 것과 같다.

이에 전기차에서 전지시스템이 차지하는 코스트 비중은 약 70%에 달하기 때문에 소비자는 ‘차 대신 배터리를 사는 것’이라는 우스갯소리가 나올 정도다.

현재 전기차 산업은 니켈수소전지가 안전성과 가격적 장점을 앞세워 주도를 하는 가운데 LIB가 높은 에너지 밀도를 무기로 시장을 장악하려 하고 있다. 또한 가격이 비싼 리튬을 대체한 LI-S 배터리와 마그네슘 배터리 등과 밀도를 높인 리튬-공기 배터리도 시장진입에 박차를 가하고 있다.

자동차에 들어가는 배터리는 자동차의 특성상 노트북용 전지의 50배 이상의 고출력이 필요하다. 또한 전기차의 본격적인 보급확대를 위해선 한번 충전시 많은 거리를 달릴 수 있도록 에너지밀도를 높여야할 필요성이 있다.

500km 이상을 달리기 위해선 배터리 에너지 밀도는 700Wh/kg이 요구되는데 현재 LIB의 에너지 밀도 한계는 250Wh/kg 수준이다. 에너지 밀도가 높으면 배터리도 가벼워지는 중요한 효과도 있다.

특히 최소 10년, 길게는 15년 수명을 보장해야하기 때문에 이를 보장할 수 있는 기술을 어떻게 확보하느냐가 차세대 자동차용 배터리 시장의 최대 이슈가 될 전망이다.

▲ KIST가 개발한 마그네슘-공기 배터리차.

■차세대 전기車용 배터리 후보들

금속-공기 배터리는 금속을 음극물질로 산소를 양극물질로 사용하는 이차전지다. 리튬을 금속으로 적용할 경우 LIB대비 10배이상의 고에너지 밀도가 가능해 전기차 1회 충전 주행거리를 획기적으로 높일 수 있어 각광받고 있다.

해외에서는 IBM, 일본 NEDO(신에너지 산업기술 종합개발기구), 도요타 등이 기초 기술을 개발 중이다. IBM은 한번 충전으로 500마일(804km)이상 주행이 가능한 리튬-공기 배터리 개발을 목표로 하고 있다. 도요타는 2008년 메탈-공기 배터리 개발을 전담하는 연구부를 설립하고 유기 전해질 기반의 리튬-공기 배터리를 개발하고 있다. BASF는 아연금속을 활용한 아연공기전지를 스위스에 있는 리볼트와 함께 연구 중이다.

국내에서는 KAIST, 삼성종합기술원, 에너지기술연구원 등 요소기술 연구개발에 착수했으나 소재 및 셀의 핵심기술 수준은 해외 선진기관에 비해 뒤떨어진 수준이다. 리튬-공기 배터리도 LIB와 같이 시스템에서 발생할 수 있는 안전성 및 신뢰성 문제를 개선할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

마그네슘 배터리는 리튬보다 매장량이 풍부하고 가격도 저렴한 마그네슘을 이용한다. LIB보다 에너지밀도가 낮지만 안전하고 친환경적이라는 점에서 주목을 받고 있다.

음극에 마그네슘을 사용하는데, LIB가 전류를 만들 때 1개씩만 전자를 움직이지만, 마그네슘은 2개씩 움직일 수 있어서 이론적으로는 용량을 두 배 이상으로 확대할 수 있다.

마그네슘 배터리는 미국 바일란 대학의 Aurbach 교수가 최초 개발했고 상용화를 위한 전용 양극재 개발을 진행 중이다. 일본 교토 대학의 아베 교수도 양극에 산화물, 음극에 마그네슘을 이용하는 다가(多價) 이온전지로서 마그네슘 전지를 개발 중이다. 국내에서는 LG화학이 핵심소재 개발을 통해 시제품을 개발 중이다.

전고체 전지는 액체 전해질로 인한 LIB의 폭발 위험성을 해결하고자 황화물계 고체로 된 전해질을 활용하는 전지 솔루션이다. 전고체 전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이에 사용하는 불안정한 전해질을 완전 고체로 대체해 출력을 높이고 안전성을 향상시킬수 있다. 생산공정도 혁신적으로 단순화하여 획기적 원가 절감이 가능하다. 도요타가 가장 심혈을 기울여 개발하고 있는 것으로 알려졌다.

高용량·高출력·低코스트 확보 관건…차세대 배터리 각축

2014년 일반인용 전기車 출시, 충전인프라 확대 절실

▲ 2012년도 전기자동차 보급대상 차종(자료:환경부).

■2014년 일반인도 전기차 타는 시대 열린다

우리나라에서 가솔린차를 몰고 다니는 운전자들은 이제 리터당 2,000원대의 휘발유가격에 익숙하게 됐다. 고유가가 만성화되면서 연료비가 매우 적게 드는 전기차에 대한 관심도 높아지고 있다.

그러나 차량가격의 절대적인 비중을 차지하는 배터리가격이 높은 것과 충전문제가 전기차 보급확대에 걸림돌이 되고 있다. 초기산업을 보호하기 위해 정부는 보조금 지급과 충전인프라 확충에 나서고 있다. 현재 전기차 개발은 지식경제부, 보급은 환경부에서 담당하고 있다.

정부는 2020년까지 전기차 백만대 보급을 목표로 공공기관을 시작으로 2012년 2,500대 보급에 들어갔다. 향후 비영리법인, 장애인콜택시, 대중교통수단 등으로 전기차 시장을 넓히고 하나의 산업으로 육성한다는 계획이다.

이를 위해 기아자동차가 만든 경형 고속전기자동차인 레이(Ray)를 구매시 판매가격(4,500만원) 중 1,500만원의 보조금과 충전인프라 구축비용 880만원과 개별소비세, 취득세, 교육세 등 최대 420만원의 세제감면혜택을 지원했다.

전기차 충전인프라 구축을 위해 공공청사, 주요 거점 공용주차장 등을 활용 전국단위 급속충전네트워크를 마련, 2012년 1단계 물량으로 최소 100기 구축에 나섰다.

이러한 정부의 노력에 자동차 기업들도 전기차 상용화를 위한 노력이 분주하다. 향후 3~4년내 동급 휘발유차량을 넘는 가격경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 내다보고 있다. 기아자동차는 2014년 일반 국민에게 판매하는 전기차를 생산하고 현대자동차는 2015년에 출시한다는 계획이다. 기아차 Ray의 주행거리는 139km이며 실용연비로는 91km 정도 주행 가능하고 최대 시속 130km에 달한다.

▲ 전기차 충전 인프라.

■해결해야할 문제 산적

전기차의 보급과 고성능 배터리 개발은 떼려야 뗄 수 없는 관계다. 현재 전기차가 높은 가격과 낮은 주행거리로 인해 보급에 어려움을 겪고 있지만 미래 시장에 대응하기 위한 인프라와 기술개발이 절실하다.

이중 가장 개선되야 하는 것이 충전기 문제다. 세계 각국이 시장을 선점하기 위해 경쟁하다 보니 각각 다른 표준의 충전기를 사용하고 있다. 이는 우리나라도 마찬가지 여서 차후 세계수출시장에서 발목을 잡힐 수 있다. 또한 정부보급사업을 통해 미국과 일본 보다 2배 이상 비싼 국산제품이 보급되다보니 예산이 바닥나며 오히려 보급을 방해하는 일도 벌어지고 있다.

또한 화석연료에서 벗어나 태양광, 풍력 등을 이용한 신재생에너지원으로 운행해야 진정한 친환경 전기차가 될 수 있다는 지적도 해결할 과제다.