＜미래 전장 이끌 핵심 과학기술＞ 이차전지, 무인항공기의 마르지 않는 에너지원

[김종문 목사]

<미래 전장 이끌 핵심 과학기술> 이차전지, 무인항공기의 마르지 않는 에너지원

작성일: 2020-09-29 15:33:44

국방홍보원-국방과학연구소 공동기획 - 미래 전장 이끌 핵심 과학기술
<5> 미래 전장은 어떤 모습일까?

이차전지는 전기에너지를 화학에너지로 저장하고 이를 다시 전기에너지로 사용할 수 있는 장치다. 최근 이차전지는 우리 생활에서 떼어놓을 수 없는 생활필수품이 됐다. 특히 테슬라 등 전기자동차가 등장하면서 우리에게 더욱더 익숙해졌다. 전기를 저장해 놓고 필요할 때 사용하는 이차전지는 전기를 사용하기 위해 일정 수준의 충전 상태를 유지해야 하는 번거로움이 있지만, 오늘날 소비자들은 충전에 익숙해질 정도로 이차전지의 중요성은 부인할 수 없는 사실이 됐다.

이차전지는 양극과 음극 두 전극의 전기화학반응을 통해 물질의 산화수를 변화시켜 전기를 저장하고 사용하게 된다. 이차전지의 기본 구성 및 반응 이미지. 국방과학연구소 제공.

이차전지는 양극과 음극 두 전극의 전기화학반응을 통해 물질의 산화수를 변화시켜 전기를 저장하고 사용하는 원리다. 이때 두 전극 사이의 전압 차이를 이차전지의 전압(voltage) 또는 전위(potential)라고 하는데, 이는 전기를 발생하는 원동력이 된다. 에너지를 구하는 공식은 전압×전류×시간이므로 전압이 클수록 많은 에너지를 얻을 수 있다. 리튬이온의 산화 환원 반응 전위가 가장 낮은 음의 값을 가지기 때문에 양극과 비교해 가장 큰 전압 차이를 얻을 수 있다. 현재 리튬이온이차전지를 필두로 한 리튬이차전지가 크게 주목받는 이유다.

리튬이온이차전지의 화학에너지를 저장하는 활성 물질이 바로 리튬이온으로, 양극과 음극 안에 얼마나 많은 리튬이온을 저장할 수 있는지에 따라 에너지양이 결정되며, 이 에너지양은 특정 제품의 사용 시간과 직결된다. 전기의 저장 능력인 용량(capacity)은 전류와 시간을 곱한 값으로 1Ah의 용량이면 1A의 전류로 1시간을 사용한다는 의미다. 우리가 사용하는 휴대전화 배터리 용량은 3Ah, 전압은 3.7볼트로 에너지는 3.7V × 3Ah = 11.1Wh가 된다. 즉 11W의 출력으로 1시간을 사용할 수 있는 에너지라는 뜻이다.

리튬이온 이차전지는 화학에너지를 저장하는 활성 물질이 바로 리튬이온이며, 양극과 음극 안에 얼마나 많은 리튬이온을 저장할 수 있는지에 따라 에너지가 결정된다. 국방과학연구소 제공.

리튬이온이차전지를 사용한 본격적인 전기차 시대의 시작

오늘날 이차전지 시장에서 전기자동차용 이차전지가 가장 큰 부분을 차지하게 됐다. 2030년에는 반도체 시장을 능가할 것이라는 예측이 나오고 있을 정도로 전기차용 이차전지는 미래 산업의 핵심으로 성장할 것으로 보인다.

전기차의 중요한 성능 지표는 이차전지의 에너지밀도와 출력밀도다. 이때 밀도는 단위 무게당 또는 단위 부피당 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있으며, 얼마나 높은 출력을 낼 수 있는지에 대한 기준이 된다.

전기차가 소비자에게 팔리기 위해서는 한번 충전 후 얼마나 주행할 수 있는지가 관건이다. 2010년 전후로 발표된 전기차는 주행거리가 100~150km밖에 되지 않아 소비자에게 외면받았다. 그러나 테슬라가 모델S를 출시하면서 상황이 달라졌다. 모델S는 혁신적인 전기차 프레임을 적용해 400km 이상의 주행거리를 보장하면서 오늘날 전기차 경쟁 시대를 견인하고 있다.

현재 출시되는 전기차 대부분은 350~500km의 주행거리를 보장하고 있다. 충전 인프라 확대에 따라 전기차는 내연기관 자동차를 대체하면서 차츰 시장지배력을 높이고 있다. 유럽 시장의 경우 올해 전기차 판매는 전체 신차 판매의 10% 수준까지 올라왔다.

이러한 상황에서 최근에는 전기차의 가격과 충전 시간이 기술적 이슈로 떠올랐다. 특히 급속 충전을 위한 기술 개발이 활발히 진행 중이다. 충전 시간 단축은 주행거리 손실을 초래하기 때문에 이를 극복하기 위한 소재 및 셀 설계 기술의 혁신이 필요한 상황이다.

전기차 주행거리와 이차전지 에너지에 따른 모델 비교. 국방과학연구소 제공.

정보전의 첨병 무인 항공기의 이차전지

이러한 상황에서 이차전지를 비행체에 적용할 수 있을까. 최근 드론이 많은 주목을 받고 있지만, 이차전지로 드론을 작동하기에는 무리가 있다. 드론은 높은 출력을 요구하기 때문에 이차전지를 많이 탑재할 수 없는 데다 규정된 무게에 얼마나 많은 에너지를 실을 수 있는지가 기술적인 제약이 되고 있다. 이차전지를 드론에 적용할 경우 드론 비행시간은 15~20분밖에 보장하지 못하게 된다.

높은 출력을 요구하는 드론과 달리 하늘 높이 비행하는 무인 항공기는 출력 밀도보다는 에너지 저장 능력이 중요하다. 낮에는 태양전지를 이용해 항공기를 기동하고 남은 전력으로 이차전지를 충전한 다음, 야간에는 에너지 소비량을 최소화해 이차전지로 기동하는 전략을 구사할 수 있다.

국방과학연구소는 “비행체의 경우 무게를 낮추기 위해 가격이 높아도 최첨단 소재를 사용, 성능을 개선하는 기술개발이 핵심”이라며 “이차전지도 마찬가지로 무게당 에너지밀도를 극대화하는 기술이 필요하다. 이를 위해서 기존과 180도 다른 새로운 접근법과 기술이 필요하다”고 설명했다.

에어버스 무인항공기 제피르의 제원. 에어버스 제공.

영국에서 개발한 무인항공기 ‘제피르’는 25일간 연속 기동한 기록을 갖고 있다. 제피르에는 에너지밀도 350Wh/kg 수준의 리튬-황전지가 탑재됐다. 리튬이온이차전지가 250Wh/kg 수준인 것에 비해 40% 정도 에너지밀도가 높은 기술이 적용된 것이다.

이를 개발한 업체는 리튬-황전지 기술을 20년 이상 연구해온 미국의 Sion Power사다. 그러나 차세대 무인항공기용 이차전지로 500Wh/kg 수준의 제품을 개발 중인 Sion Power도 리튬-황전지가 아닌 리튬금속을 음극으로 사용하는 이차전지를 적용할 것으로 보인다.

전고체전지의 전극 구성도(왼쪽)와 다층직렬 연결을 통한 셀 구조 혁신 이미지. 국방과학연구소 제공.

우리나라는 국방과학연구소가 미래 도전기술 과제의 하나로 무인항공기용 이차전지 개발에 박차를 가하고 있다. 국방과학연구소가 개발하고자 하는 무인항공기용 이차전지의 에너지 밀도 목표 역시 500Wh/kg. 또한 1년 연속 기동을 할 수 있는 300회 이상의 수명을 목표로 하고 있다. 하지만 고고도에서 정상적으로 기동하기 위해서는 영하 70도 수준의 저온과 낮은 압력을 견디기 위한 대책이 필요하다.

국방과학연구소는 “이러한 도전적인 목표 달성을 위한 기술적인 접근은 바로 전고체전지”라며 “고체전해질을 적용할 경우 극판 구조와 셀 구조의 혁신을 통해 에너지 밀도를 높일 수 있고 안전성도 확보할 수 있어 전고체전지는 고가 무인비행기에 가장 적합한 솔루션”이라고 설명했다. /안승회 기자