금속배터리●분산전원 ●전고체배터리

[玉忠錫]

4차 산업혁명은 다양한 혁신적 기술들이 융합되어 새로운 산업 및 사회 구조를 만드는 변화를 의미한다, 그 중, [자율주행차], [전기자동차] 및 [차세대 배터리]는 4차산업혁명의 중요 요소들로서 교통시스템의 혁신과 환경문제 해결하는데 중요한 역할을 한다

[자율주행차]는 인공지능을 이용하여 주행중의 상황을 인식하고 판단하고, 제어한다. 사물인터넷(IOT)과 라이다(LIDAR), 레이더, 카메라, 초음파센서등 센서 기술을 이용하여, 차량, 도로 인프라, 교통관리시스템 등과 실시간 통신함으로써 교통과, 교통흐름을 최적화하는 데 활용, 교통사고를 예방하도록 한다.

[전기자동차]는 배기가스가 없고 소음이 적으며, 재생가능한 친환경기술과 배터리기술이 필수적으로, 전기자동차뿐만 아니라 스마트그리드, 분산전원, 재생에너지 저장등 다양한 응용분야에 사용될 배터리 또는 에너지 저장장치(ESS)에 사용될 차세대 배터리나 전기에너지 저장장치 등이 교통 혁신, 에너지 효율적 관리, 환경 문제 등을 해결하는 중심 과제로 등장한지 오래되었다.

[전고체배터리]는 기존의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 안전성과 에너지 밀도에서 큰 장점을 가지고 있다

[리튬공기배터리]는 음극에 리튬과 양극에 공기중의 산소가 전해질을 통해, 산화와 환원을 통해 충.방전을 반복하는 리튬기반 배터리이다.

일리노이주 레몬트에 있는 아르곤 국립연구소의 재료 과학자들은 2023년에 실험실에서 1,000회 이상 테스트한 고체 상태의 실험용 리튬공기배터리를 보여주는 놀라운 논문을 발표하여 화제가 되었다. 연구팀은 동전크기의 테스트 셀이 약685Wh/kg에서 작동하며, 현재 리튬 이온으로 달성할 수 있는 에너지 밀도의 4배인 1,200Wh/kg에 도달할 수 있고 자동차의 휘발유와 거의 비슷할 것이라고 말한다.

※ 685Wh/kg는 배터리 1 kg에 685Wh(와트시)의 전기에너지를 저장할 수 있다, 즉, 배터리 1 kg이, 685W 전구(있다면) 를 1시간 켤 수 있는 전기에너지를 저장할 수 있다는 말이니, 만약 300kg의 배터리(기계부문 빼고)라면, 약 200KWh (300 x 685 Wh)에너지를 저장할 수 있다. 이는 최대출력 68.5kW 전기자동차(아반테급)가 구동모터는 50KW로 100km/hour 속도를 낸다면, 4시간에 걸쳐 운전할 수 있는 에너지를 저장할 수 있다는 말이다. 그말은 100KmX 4시간=400Km를 주행할 수 있다는 말이 된다

리튬공기배터리는 2008년 IBM이 몰락의 위기를 겪으면서, ‘IBM500 프로젝트’ 를 추진 하여 2022년에 개발완료를 목표로 하였는데, 그 대상은 [리튬공기배터리] 개발이였다. ‘500’은 1회 충전에 500km를 주행 할 수 있는 배터리개발을 의미하는 데, 1회충전에 100km 주행랄 수 있는 수준이였던 당시로서는 엄청난 목표였다.

그래서 관심을 가지고 추적 해왔는데, IBM500프로젝트 진행 기사가 나오더니, 2013년~ 2015년부터 기사가 나오질 않았다. 검색에도 사라진 것을 보니, 기존의 리튬이온 배터리 기술이 발전하고, 전고체배터리 등이 소개되면서, 어려운 IBM환경을 타파하고자 새로운 먹거리 중 하나로 삼은 리튬공기배터리의 개발의 어려움이 더해지면서 본업이 아닌 분야에서 사업영역을 찾다, 이건 아니다 싶어, 손을 들지 않았나 싶다.

이외에도, 리튬이온배터리보다 에너지밀도가 높은 리튬 황이나 리튬 금속 배터리 등이 활발히 연구되고 있다.

[금속공기배터리]는 리튬은 매장량이 편중되고 희소자원이라, 대체 금속을 찾는 것도 병행하고 있다.

앞으로 세상에, 전기차 세상이 도래할 수 있을 것인가? 혹은 전기차 세상이 도래할 것인가? 는 에너지 밀도를 휘발유를 대체할 만한 수준으로 다음 4가지가 해결에 달려 있다.

‘기술개발, ‘안전성’, ‘소재확보’, ‘동시 충전부하해소’가 그것이다

● 금속배터리

배터리에서 가장 큰 문제 중 하나는 자원과 관련된 문제이다.

‘2050년까지 자동차에 필요한 14TWh(테라와트시)를 생산하려면 총1400만톤의 금속이 필요할 것으로 예상된다’ 라고 전문가들은 예상한다

오늘날 전 세계 리튬 채굴량은 연간 약 13만톤인 반면, 코발트는 약20만톤, 니켈은330만톤이며, 이는 비전기차 배터리와 니켈의 경우 스테인리스 강을 포함한 모든 용도를 고려한 것이다. 필요한 양이 많기 때문에 희소하거나 비싸지 않고 채굴시 과도한 환경 피해를 일으키지 않는 금속을 선택하는 것이 중요하다.

연구자들은 리튬을 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 아연 등 다양한 전하(電荷)운반체로 대체하는 연구를 해왔지만 나트륨에 대한 연구가 가장 많이 진행되었다.

리튬 대체 금속 배터리는 리튬 이온 배터리의 한계와 문제점을 해결하기 위해 개발되고 있는 다양한 새로운 배터리 기술을 의미한다. 몇 가지 대표적인 리튬 대체 금속 배터리 기술을 보면,

◆ 나트륨 이온 배터리

나트륨은 주기율표에서 리튬 바로 아래에 위치하여 원자가 더 무겁고 크지만 화학적 성질은 비슷하여, 리튬 배터리 개발 및 제조에서 얻 많은 교훈을 나트륨에도 적용할 수 있고, 리튬보다 지각에 약 1,000배 더 풍부하기 때문에 조달하기가 훨씬 쉬워 원료비가 낮아 대규모 에너지 저장 시스템에 유리하지만, 에너지 밀도가 리튬 이온 배터리보다 낮다은 것이 단점이다

◆ 마그네슘 이온 배터리

마그네슘은 2가 이온으로, 리튬보다 전하 운반 능력이 크서, 높은 에너지 밀도와 안전성을 갖추고 있고, 리튬보다 부식에 강하지만, 전해질과 양극 재료의 개발이 아직 초기 단계에 있다.

◆ 알루미늄 이온 배터리

알루미늄은 3가 이온으로 더 많은 전하를 운반할 수 있다. : 높은 에너지 밀도와 안정성을 제공하며, 알루미늄 재료는 저렴하고 풍부하다. 그러나, 실용적인 전해질과 전극 재료 개발에 한계가 있다.

◆ 칼슘 이온 배터리

칼슘은 리튬보다 저렴하고, 전기화학적 특성이 우수하여, 높은 에너지 밀도와 저비용 원료.지만, 상업적으로 사용할 수 있는 전해질과 양극 재료 개발이 필요.

◆ 아연 이온 배터리

아연은 안전하고 저비용이며, 수용액 전해질을 사용할 수 있다어 안전성과 비용 효율성이 높지만,  에너지 밀도가 리튬 이온 배터리보다 낮고, 수명 문제 해결이 필요.

리튬 대체 금속 배터리들은 금속을 음극으로 하고, 공기중의 산소를 양극으로 사용하는 것으로 산화를 통해 잉여 전자를 통해 전기를 만들고, 충전을 통해 환원을 시키는 개념이므로, **공기배터리 등으로 불리기도 한다. 이러한 금속 배터리등은 각기 다른 장점과 단점을 가지고 있으며, 현재 연구와 개발이 진행 중이다. 상용화 단계에 도달하기 위해서는 여러 기술적 도전과제가 남아 있지만, 향후 에너지 저장 기술의 중요한 부분이 될 가능성이 크다.

● 분산전원

2021년 한 줄 기사가 보도되었다. 기록적인 한파로. 대정전 사태를 겪은 미국 텍사스 주에서 암흑으로 변한 주택가에서 오직 한 집만이 불이 켜져 있었다. 그 주택가에서, 정전사태를 피해간 그 유일한 집은 ESS(Energy Storage System)를 설치한 덕분이였다.

ESS는 낮 동안 태양광 패널에서 생성된 전기를 저장해 두었다가, 정전 시 이를 사용할 수 있게 한다.

2024년 02에, “2030년 전기차 동시 충전 시 30GW 전력수요 발생…충전 시간대 분산 필요” 라는 주제로, 강남훈 회장, 포럼서 모빌리티 산업 미래 밝혀…“전기차 분산전원 활용 방안 강구해야” 한다는 강연을 했다는 데, 그 내용을 들여다 보자

(https://m.ekn.kr/view.php?key=20240216029428822

사단법인 '에너지미래포럼' 주최로 16일 서울 서초 JW메리어트호텔에서 열린 2024년 2월 월례 조찬포럼에 참석, '모빌리티 혁명과 에너지 전환'을 주제로 앞으로 전기차의 미래에 대해 설명하며 이같이 밝혔다.

강회장은, “2030년에 모든 전기차가 충전하면 순간적으로 30기가와트(GW)의 대규모 전력수요가 생깁니다. 전기차 충전 시간대를 분산하고 관리할 방안이 필요합니다." 라고 주장했다.

자동차 충전시 순간전력부하문제는 나는 10여년전부터 문제제기를 해왔고, 모모 지자체에, 새로운 투자유치 아이디어를 이야기 할 때, ‘앞으로 이 문제가 크게 잇슈화 할 것이고, 이와 관련된 연구 개발 회사를 지원하거나 산업기반을 구축하라’

라고 주장했지만,. 뭐 무슨 말인지 이해도 못하는지, 아직은 그럴 시간이 안되었고, 그럴 여유가 없어 그런지, 제대로 귀를 기울이는 사람들을 보지 못했다( 동기 카페에도 유사한 내용이 담긴 글을 두어 번 올린 것으로 기억한다)

그러구러 10여년이 흘러, 한국자동차모빌리티산업협회라는 게 언제 생겼는지 모르지만, 협회장이 강연을 통해 주장하는 바, 그 수치가 타당한 수치인지는 부차적인 문제이고, 대체적으로, 그런 문제가 앞서거니 뒷서거니 사회문제로 대두될 것이다. 나라의 연구소 어느 구석에서 그런 준비를 착실히 하고 있는지 모르지만, 그렇지 않고, 대비를 소홀히 하고 있다면, 2030년이면 겨우 6년, 언제 그런 대비를 하겠나? 그것이 우려된다.

< 2024년 2월, 강남훈 한국자동차모빌리티산업협회 회장이 16일 서울 서초 JW메리어트호텔에서 열린 에너지미래포럼 2월 월례 조찬포럼에 참석, '모빌리티 혁명과 에너지 전환'을 주제로 발표하고 있다.>

강 회장은 2030년에 만약 420만대의 전기차가 동시에 완속으로 충전할 경우 30GW의 전력수요가 발생한다며 10~30%만 동시에 충전해도 3~9GW가 나타날 것 이라고 설명했다.

30GW면 현재 우리나라 전력을 총 공급할 수 있는 능력인 약 100GW(1억kw)의 3분의 1에나 달하는 규모다.

특정 시간대에 국내에서 당장 돌릴 수 있는 발전기의 3분의 1은 전기차를 충전하는데 써야 할 수도 있다는 의미다. 원자력 발전 한 기가 보통 150만kw이니 1.5 GW가 되는 것이다. 420만대의 전기차 중 10%~30%만 동시 완속 충 할 시 3~9GW면 동시에 1.5GW원자력  2대~6대가 가동되어야 한다는 것이다. 그는 급속으로 충전할 경우 전력수요는 더 높게 나타난다고 덧붙인 것이다.

그런데, 전기차가 2030년대 420만대 수준에 머무르겠나? 언젠가는 현재의 가솔린 차를 모두 대체한다고 봤을 때, 2,500만대가 된다. 리튬의 조달로 가능하겠냐는 별도로 논의할 사항이고, 그 중  5%만 하더라도 100만대가 동시 충전된다면, 원자력 발전 6대~24대, 10%만 동시충전한다면 250만대로, 원자력 발전 12대~48대가 전기차 충전수요만을 위햬써  가동되어야 한다. 

그래서, 강 회장은 “전기차를 분산전원으로 적극 활용하는 방안을 강구해야 한다"며 “전기차 420만대는 약 253기가와트시(GWh)의 배터리 용량으로 확보 가능하다. 전기차 배터리에 저장한 전력을 거래할 수 있도록 해야 한다"고 강조했다. 

순간전력수요는 한전의 공급용량을 오버할 경우에는, 이러한 ESS에 미리 저장해둔 전기를 끌어다 쓰고, 순간전력수요가 낮을 때는 ESS에 저장하는 방식이다.  또 다른 방식은, 양수발전설비이다. 잉여 전력을 양수발전용 저수지에 물을 담는데 사용하고, 필요 시에 그 물을 이용 수력발전을 돌려 전기를 토해내게 하는 것이다.  잉여전력을 수소를 만드는 데 사용하여 수소로 보관하고, 필요 시 이 수소를 수소발전기나 연료전지를 가동시켜 공급하는 것도 유사한 개념이다.. 

또한 비유적 예를 들어보겠다.

메인 프레임 컴퓨터에 수 많은 단말기가 붙어 있으면, 처리 속도나, 시간,  저장용량의  메인 프레임 컴퓨터에 부하하게 된다. 만약, 수많은 PC가 사용된다면, 대부분의 처리시간이나 저장용량이 PC마다 역할을 하기 때문에, 메인 프레임에 부하가 덜 가게 된다. 또 PC들이  네트워킹으로 연결되어, 보안이 관리된다면,  각 PC의 메모리창고를 , 저장용량으로 활용할 수 있을 것이다. 

강회장의 ‘전기차를 분산전원으로 활용하자’는 말씀은 PC를 분산 처리 및 저장장치로 활용하자는 개념과 유사하다.

이처럼, 강회장이 주장하는 바는  ‘전기차의 동시부하를 분산하기 위해, 전기차의 배터리라는 에너지 저장장치를 활용하자는  제안’인 것이다. 과정이 복잡하기는 하겠지만, 그것도 하나의 방안일 수 있다.

또, 다양한 용량의 ESS를 개발하고 활용하는 것도 유망한  방법이다 ‘ 대규모 에너지 저장장치’ 를, 이를 테면 아파트단지나, 지역별로 두고  한전선로에 직접 연결되는 것과 에너지저장장치를 통해  연결되는 것을  병행시켜, 부하를 분산하는 체제를 확립하는 것이 필요하다고 생각한다.

이러한 분산전원 기술은 이미 확립되어 있거나, 많이 연구되고 있을 것이지만,  전기차의 본격시대에 시의적절히 대비 할 수 있을랑가? 에너지밀도가 높은 소재나 기술개발이 언제 어느 수준으로 이루어 질 것인가?  또, 배터리의 양극, 음극, 전해질을 이루는 배터리 소재의 대량 소모량을 어떻게 조달할 것인가 하는 문제의 대비. 준비에 따라 향후 전기차 세상 어떻게  전개될 것인가가 달려 있다 하겠다.

●  전고체 배터리

오늘날 대부분의 전기차는 리튬 이온 배터리로 작동한다. 리튬이온은 일반적으로 흑연으로 만든 양극과 금속산화물로 만든 음극사이를 이동하며, 두 전극은 원자 층 사이에 리튬이온을 수용한다. 전해질은 일반적으로 유기액체이다.

리튬이온배터리는 1991년 첫 상용 제품출시 이후 셀 에너지밀도가 3배 가까이 증가한 반면 가격은 크게 하락하는 등 많은 발전을 이루었다.

리튬이온은 개선의 여지가 더 많기 때문에 리튬 이온이 오랫동안 왕좌를 차지할 것이라는 의견이 있다. "리튬이온은 충분히 좋은 기술이기 때문에 수십년 동안 전기 자동차의 동력이 될 것이라고 전문가들은 말한다.

[EV, Tech & Science]의 2024년 2월8일 기사에 따르면.,

전기차용 배터리에 혁명이 일어나고 있다. 도요타는 전고체 배터리로  2027~28년에 1,000킬로미터를 주행하고 10분 만에 충전할 수 있는 자동차를 출시하는 것이 목표라고 2023년에 밝힌 것이 대표적인 예이다.

12개이상의 국가에서 2035년 또는 그 이전에 모든 신차를 전기자동차로 전환하겠다고 선언한 상태이다..

국제에너지기구는 전 세계 도로 위의 전기차 운행 대수가 2021년 1,650만 대에서 2030년에는 3억5천만대에 육박할 것으로 전망하며  2050년에는 전기차 배터리의 에너지 수요가 2020년의 90배에 달하는 14테라와트시(TWh)에 이를 것으로 예상하고 있다.

자동차 배터리에는 한번 충전으로 더 멀리 갈 수 있도록 가능한한 적은 재료와 무게에 많은 에너지를 담아야 한다. 가속을 위한 충분한 전력을 공급하고, 빠르게 충전하며, 수명이 길어야 하고(일반적인 표준은 1,000회 완전 충전 사이클을 견뎌야 하며, 이는 소비자가 10~20년 동안 사용할 수 있어야 함), 넓은 온도 범위에서 잘 작동하고, 안전하고 저렴해야 한다.

2017년에 시작된 미국 에너지부(DoE)의 배터리500 프로그램은 현재 최고 제품 대비 65% 향상된 킬로그램당 500와트시(Wh/kg)의 셀 에너지 밀도를 목표로 하고 있다.

2023년에, 미국 고등연구계획국-에너지에서 시작한 PROPEL-1K 프로그램은 장기적으로 1,000Wh /kg을 목표로 야심차게 추진하고 있다.

미국 에너지부의 차량 기술 사무소는 2030년까지 킬로와트시당 60달러를 목표로 하고 있다. 이는 현재 가격의 절반 수준으로 전기 자동차의 가격이 가솔린 엔진으로 구동되는 자동차의 가격과 같아질 것으로 예상하고 있다.

리튬이온배터리는 30년 동안 시도되어 왔지만 여전히 큰 과제를 안고 있다. 더 나은 전극을 가진 배터리가 여러 문제를 겪고 있는 가운데, 많은 사람들이 액체 전해질을 고체로 교체하는 것이 가장 매력적인 해결책이라고 말한다.

고체 배터리의 셀 구조는 액체 기반 셀보다 더 간단하다. 이론적으로 배터리는  추울 때 점성이 높아지는 액체가 없기 때문에 저온에서, 뜨거울 때 전극과의 인터페이스가 크게 손상되지 않기 때문에 고온에서  모두에서 더 잘 작동한다.

하지만 레이어 사이에 매끄럽고 완벽한 인터페이스를 만드는 방법에 대한 도전과제가 있다. 또한 고체를 통한 이온의 이동은 액체보다 느리기 때문에 전력이 제한되는 경향이 있다. 그리고, 전고체 배터리는 완전히 새로운 제조공정이 필요하다. 고체상태는 미래 지향형이기는 하지만, 가까운 미래에  이런 과제를 극복하고 실현하는 것은 정말 어려울 것이고, 일반적으로 전고체 배터리의 높은 에너지 밀도는 "오늘날 어떤 종류의 상업적 규모에서도 입증되지 않았고,  가격면에서는  비쌀 것으로 전문가들은  예상한다 

하지만, 콜로라도주 루이빌에 위치한 솔리드 파워(자동차 제조업체인 BMW 및 Ford와 제휴)는 실리콘 기반 음극을 갖춘 전고체 전지를 파일럿 규모로 생산하기 시작했으며, 캘리포니아에 위치한 퀀텀스케이프(폭스바겐 등 제조업체와 계약을 체결한)는 리튬 음극의 장점을 살리면서 무게는 훨씬 가볍고 음극이 없는 전고체 전지를 보유하고 있다고는 하지만, 상세한 정보는 알려지지 않았다.

<퀀텀스케이프 단층 전고체 파우치(pouch)셀>

2020년대초에 전고체 배터리상용화를 목표로 했던 도요타의 당초 목표는 2020년대 후반으로 미뤄졌다. 닛산은 2028년까지 자체 생산한 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 고객에게 제공하는 것을 목표로 하고 있다고 한다

그러니, 2025년에는 일부 셀의 시장침투가 있을 것으로 예상된다고 한다.

2022년에 UNIST(울산과학기술원)에서 ‘미래모빌리티 배터리 시스템’이라는 강의를 들은 적이 있다. 2024년 4월경에, 울산시는 국토교통부 주관 공모 사업인 ‘한국형 도심항공교통(K-UAM) 안전운용체계 핵심 기술 개발’에 2개 과제가 최종 선정됐다고 발표를 했는데, 2022년 당시 아마 그이전부터, UAM 주관도시가 되겠다고 울산시가 애를 썼던 모양이다. 현대자동차가 현대차로 사명을 개명한 것은 모빌리티 사업을 염두에 두고 ‘현대모빌리티’로 개명하기 위한 전단계가 아닌가 생각된다. 아마도 비행 모빌리티가 상용화가 가까워지면 사명이 ‘현대 모빌리티’ 개념으로 바뀌지 않을까?

2022년 당시 본업과 무관하다 할 수 있겠지만, 무게가 500~600kg 되는 승용전기차 전용배터리를 자동으로 장착하는 엔지니어링 회사에 일하다 보니, 전혀 관련이 없다고는 할 수 없고, 평소 배터리 동향에 관심이 많아, 회사 직원들을 데리고 관련 전문가의 강의를 수강한 적이 있다.  대략10여년 언저리 전에는 전고체 배터리가 2025년경에 나올 것이라는 예상들이 있어 과연 그런지, 관심이 있게 강의를 듣고, 질문도 해봤다.  그 때 강의 교수들이 전고체배터리의 고체전해질을 찾는 작업의 지난함을 이야기하고 아마도, 2030년 넘어서 적당한 해결책이 나오지 않을까라고 하던데, [EV...Tech & Science] 보도에 따르면, , 전고체 배터리는 현재 추정치에 따르면 2030년이후에나 가능할 것이라 한다.

이는 그때까지 알고 있던 전고체 배터리 상품화시기와는 5년 이상의 차이를 보였다. 그러나 특히 항공모빌리티는 안전성과 무게에 더 엄격하고 민감하기 때문에 지상주행 모빌리티보다 시기가 늦어지지 않을까 싶기도 하다

이로 볼 때, 전고체 배터리는 예상보다 상품화가 지연되고 있기는 하지만, 실제 전고체배터리로 구동되는 자동차의 시대가 늦어도 5년~10년안으로 머지않은 것처럼 보이며,  ‘안전성’과 ‘에너지 밀도 향상’이라는 두가지 토끼를 잡을 수 있는 기술로 기대를 모으고 있다. 

리튬이온배터리와 전고체 배터리는 각각 장점과 단점, 그 차이가 존재한다. 리튬이온배터리는 오랜 성공의 역사를 가지고 있지만, 안전성에 대한 의문이 꾸준히 제기되고 있다. 열폭주가 생하여 연쇄반응과 재로 어질 수 있는 리튬이온 배터리와 달리 고체배터리는 고출력 충전중에도 상대적으로 안전하고, 급속충전에 유리하고, 폭발이나 화재의 위험도 줄어든다 .

즉, 전고체 배터리는  리튬이온배터리에 비해 전기자동차의 미래를 위해, 엄청난 잠재력을 가지고 있다는 것이다.

장점
더 높은 에너지 밀도
제조시간 단축
빠른 충전 기능
화재 위험 감소

단점
재활용 문제
주요 재료의 희소성
수상 돌기가 단락을 일으킴
비싼 초기상용화 비용

그러나, 전고체 배터리기술은 너무 새롭기 때문에 그 성공 여부에 대한 장기적인 데이터가 충분하지 않고 리튬의 때문에, 리튬이온 팩보다 훨씬더 많은 리튬을 필요로 할 수 있어, 전고체 팩의 효과적인 재활용 방법이 없다면 충분한 리튬 자원을 확보하는 것이 전고체 배터리 기술의 광범위한 채택을 방해할 수 있는 문제가 될 수 있고, 재활용 및 가용성 부족으로 전고체 배터리개발이 중단될 수 있다고  한다

(출처:https://www.topspeed.com/solid-state-batteries-vs-lithium-ion-batteries/)

●  미래에는?

아마도 2030년대면 리튬기반 배터리 기술은 확립되고 이런 기술을 보편적으로 적용하는 결과물들이 범람하지 않을까? 싶다.

리튬은 소재의 편중과 희소성으로, 많은 연구자와 기업이 니켈, 코발트 또는 기타 값비싼 금속을 사용하지 않는 배터리를 만들기 위해 노력하고 있어, 아마도 궁극적인 목표는 수요와 공급의 급팽창으로 인해 가격변동이 심한 금속인 ‘리튬 자체를 없애는 것’ 일 것이라고 예측한다..

리튬이외의 풍부한 매장량의 저렴한 가격의 금속배터리(이를 테면 아연공기배터리) 가 개발되던가, 순도 높은 리튬의 외계혜성이나 행성, 소행성에서 채굴하여 가져오는 시기도 예상해볼 수 있겠지만, 기술적으로 가능하다해도 그 비용이 무지막지할 것이기 때문에 가까운 장래에는 기대하기 힘들고, 2040년 이후, 수십년, 아마도 반세기 이상은 지나야  가격경쟁력이 생길 것이지 싶다. 아마도 산업계는  물론이고, 금속.화학.전기 분야 관련 연구자들이 머리를 싸매고 연구하고 있을 터이니, 어쩌면 그보다 훨씬 빨리, 아니면,  그보다 늦어질지도  모를 일이다

앞서 글에서, 국제에너지기구는 전 세계 도로 위의 전기차 운행 대수가 2021년 1,650만 대에서 2030년에는 3억5천만대에 육박할 것이고,  2050년에는 전기차 배터리의 에너지 수요가 2020년의 90배에 달하는 14테라와트시(TWh)에 이를 것으로 예상하고 있다고 소개한 바 있다. .

한국의 승용차보유대수는,포니가 굴러다니던 시기인 1975년경에 승용차 보유 댓수가 45,000 대, 1979년에는 85,000 대, 1980년 184,000, 1989년 150만대, 1990년 200만대, 1999년 850만대, 2010년에 1,600만대…

전세계적으로나 2050년 까지 내다보지 않더라도, 강남훈 한국자동차모빌리티산업협회 회장의 예측처럼, 2030년 우리나라 전기차 420만대를 훨씬 넘어, 2040년경이 되기전에,  현재의 가솔린 승용차가 2,000~2,500만대 수준에 이르지 않을까? 

수소자동차등도 일부 등장하겠지만, UAM(도심항공 모빌리티), 자율 주행차, AI와 결합한 자율주행차도 이동식 전기저장장치를 기반으로 할 것이므로, 아마도 , 전기차가  대세가 될 것이며,  대세가 되지 않을 수 없을 것이다. 

그것은 필연이다.  전기차가  대세라면, 앞서의 이유로, 분산전원도 대세가 되는 것은  역시 필연이다. 그러므로, 앞으로의 시대에는 전기차 시대를 위한 소재 확보, 급속충전, 분산전원, 배터리기술이 이루어내는 놀라운 성과들을 보기 싫어도 보게 되고 겪게 될 것이다,

[김수인]

은둔 碩學!^^

[이원익]

배터리가 문제군요.
우리가 흔히 집에서 쓰는 작은 원통 모양의 건전지만 해도 그 수요가 엄청난지 코스트코든 샘스 클럽이든 눈에 잘 띄는 곳에 갖다 여러가지 세트를 갖춰 놓고 엄청나게 팔아대지요. 게다가 여러 기기용으로 동전 같이 생겨 반들거리는 작은 것들까지, 이런 건전지들이 우리 생활에 아주 가까이 닿고 있음을 새삼 느낍니다.
옥선사의 글을 읽어 보니 이쪽 세상에 무슨 전쟁이 벌어진 것 같은 개발 경쟁이 한창이군요. 한국도 뒤떨어지지 않아야 할 텐데 실상이 어떤지 잘 모르겠습니다.

[玉忠錫]

배터리는 셀이
원통일경우 지름과 깊이로 표현 하지요
1855라면 지름22mm에 높이55mm로
이를 6,000~7,000개를 병렬연결하여
자동차 배터리모듈에 사용한 것이 테슬라배터리지요
언제부턴가, 지름18mm를 더 큰 지름으로
바꾼다는 이바구를 들었는데
어찌 지금은 되었을지...

삼성이나 LG, SK 그룹에서는
이보다 지름이 큰 원통형이거나
파우치 형태의 배터리셀을
생산하는 것으로 알고 있고
이 셀로 직접 배터리를 만들거나
이 셀을 받아서 현대모비스같은 데서
배터리 모듈을 만드는것으로 알고 있습니다

원통형일 경우 배터리 지름이 작으면
모듈내부를 채우는 배터리 수를 증가시킬 수 있지만
냉각에 불리하고 조립공수, 검사공수가 늘어날 터이니
회사마다 나름대로 연구하여 제조프로세스를 정하겠지요

UNIST같은 학계나
삼성이나 LG, SK 그룹등에서
열심히 연구하고 있을 것이고
정부에서도 지원을 아끼지 않는 것 같으니
기술개발과 상품화가
그렇게 뒤떨어지지는 않을 낍니다

[김의철]

미래에는 전기의 생산과 저장이 상당한 문제가 되겠군요.

테슬라쪽에서는.. 태양광으로 얻을 수 있는 에너지만 잘 보관할 수 있다면
전세계가 다 쓰고도 남을 수 있는 전력을 가질 수가 있다는 식으로 언젠가
이야기 합디다만..

그들의 말대로..그런 계산이 과연 타당한 것인지.. 옥자가 쫌 해석해 주소.^^

[玉忠錫]

2024년 전세계 에너지량은
29,000테라와트시(TWh)에 이를 것이고,
태양광.풍력등 재생에너지가
전체 전력 생산의 37%(태양광이 4.4%에 달할 것으로
전망한다.

‘태양광 발전 설비만으로도
지구상의 모든 전력 수요를
충분히 충족시킬 수 있는 잠재력이 있다’

카는 엘론 머스크의 주장은
이론적으로 가능하지만,
실제 이를 실현하기 위해서는
해결해야 할 문제가 많다

즉, 전 세계의 전력 수요를
태양광 발전만으로 충당하려면 광대한 면적이 필요하다.
머스크는 예시로 미국 텍사스 주의 면적만큼의
태양광 패널이 필요하다고 언급한 바 있다.

엘론 머스크의
기가팩토리 공장 하나의 태양광 발전 설비 규모는
지붕면적 약 176,000 제곱미터(53,000평)로
완전 설치시 태양광 패널의 총 용량은
70MW, 이로부터 생산하는 생산하는 전기는
완전가동시, 수십GWh의 배터리를 생산하며,
이를 위해 대규모 에너지가 필요하다.

참고로, 2023년 전세계적으로
태양광 발전용량이 440GW
2024년에 추가로 400GW 설치가 예상된다.

[玉忠錫]

한국이라면,
70 MW가 3.6h (하루 평균가동시간)에 365일이면
91GW. 네바다 사막은 이보다 평균가동시간이 높을 터이니
대충 짐작하면 되겠다)
태양광 발전은 이 에너지 수요를 충당하는 데
중요한 역할을 한다

또, 태양광 발전은
낮 동안 가능. 한국에서 태양광 발전 평균시간은 3.6h로 잡는다.
그러므로 안정적인 전력공급을 위해서는
분산전원의 기본요소인
대규모 전기에너지 저장장치(ESS) 및
이의 안정적인 관리시스템(BMS, Battery Management System)이 필요하다

즉, 태양광 발전에서 생성된 전력을
각 가정과 건물, 산업 시설에 효율적으로,
안정적으로 전달하기 위한 체제가 구축되어야 한다.

그러기 위해서는 전력망 인프라가
업그래이드되거나 새로히 구축되어야 한다.
태양광 발전의 대규모 도입을 위해서는
정부의 정책적 지원과 경제적 투자가 필수적.
또한 태양광 설치지역의 희생에 대한 적절한 보상과
기존 화석 연료 산업과의 이해 충돌도 해결해야 한다

[玉忠錫]

2024년에 400GW가 추가되면
전세계 태양광 발전용량이 840GW
이를 한국평균가동시간 3,6h보다 조금 높은
4.2h(저 위도나 평지일 경우 급격히 늘어남)를 적용하면
전세계에 태양광으로 년 생산되는 전기에너지는
840 x 4.2 x 365 =1,287,720GWh(기가와트시)
즉1,287TWh(테라와트시)이다
이는 전체 전기에너지량 29,000TWh의 약4.4%
%가 공교롭네

[김의철]

옥자의 설명이 전반적 그림 상상에 도움이 많이 되는군요.

해당 주장을 듣고서..지구상의 식물 모두가 태양광합성으로 유지되고 있다는 견지에서
만약 그리될 수만 있다면.. 인간들도 모두 태양으로 에너지를 얻는 구조가 되니..

일단은.. 우선 매우 바람직하며.. 전혀 삿된 생각은 아니겠다는 판단이 됩디다.

그의 말로는.. 지구전체 면적의 0.2% 인가..2% 정도만 할애되면
그리될 수 잇다 한 것이 기억됩니다만..

[김의철]

보다 빠른 태양광 채집 에너지 구조 문화를 만들어 나가기 위해서.. 무슨 아이디어가 좋을까 생각해보니

자금을 마련, 자기집 지붕이건 지구상 어디건..적절한 장소를 찾아 태양에너지 채집판을 설치해 놓기만 하면
학벌이나 출신 여부를 불문, 누구나 큰 돈을 벌 수 있따는 분위기를 띄워주면 되겟다 상상되더군요.^^

그리될 경우 종국에.. 전기거래에는 당연 전자화폐류가 사용되는 것이 보다 합리적일 것이라..
그래서 미래에는 전자화폐의 사용가능성 높아질 수 밖에 없겠다는 판단 또한-

아무튼 관전해 볼만한 흥미있는 상황들이 전개될듯 함미다만..
그리 되자면, 최소한 85세 까지는 그나마 살아 남아야.. 그 맛 일부라도 볼 수 잇을 터라(=생존확율 15%)..

옥자처럼 매일 저녁 산보하고, 입맟추며 노래하는 정도의 성실한 노력이 따라주야 그리 댈낀데..

게으른 서토는 아무래도 80세를 채우지 못해.. 제대로 구경하지 못하고 하늘로 떠날듯-^^