화재에 강한 리튬배터리 - LTO 배터리의 현재와 미래

  • 기사입력 2022.12.14 20:34
  • 기자명 모터매거진

전 세계적으로 온실가스 감축을 위해 다양한 분야에서 많은 연구가 진행 중이다. 특히 운송 부문에서 전기자동차 보급을 통해 온실가스 배출을 저감하고자 많은 노력을 기울이고 있다.

전기자동차에서 중요하게 사용되는 배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막, 4대 요소로 이루어져 있으며, 여러 가지 양극재 중 사용 재료에 따라 구분하는 삼원계 배터리(NCA, NCM) 혹은 LFP(리튬-인산철) 배터리가 가장 많이 사용되고 있다. 두 종류의 배터리 모두 장단점이 있지만, 공통으로 전해질을 액체로 사용하고 있어서 온도 변화에 따른 배터리의 팽창 혹은 누액으로 인한 배터리 손상 가능성이 있고, 저온에서는 배터리 성능이 저하된다는 단점이 있다. 배터리의 안전성 및 성능개선을 목표로 전고체 배터리가 한창 연구 중이지만 상용화하기까지는 시간이 상당히 필요할 것으로 보이며, 저온 및 고온에서의 성능개선 문제는 동시에 고려되지 못하고 있는 게 현재 실정이다.

효율적이고 안정적인 에너지 저장 시스템으로서의 배터리는 현대 사회에 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 지속적인 이차전지의 기술 개발을 통해 안전성 및 성능이 확보된 배터리를 개발하는 것은 이차전지의 적용 범위 확대 및 안정적인 친환경에너지의 보급 확산과 연관되어 있다.

이차전지는 1900년대 납축전지 형태로 개발되어 자동차 시동용 혹은 산업기기용으로 사용되다가 리튬 기반(LCO 배터리) 배터리가 1991년 최초로 상용화 되어 2010년 이후 전기자동차를 위주로 급격하게 사용이 확대되고 있다. 2020년대에 들어서면서 자동차 이외에도 항공, 선박, 기계, 철도 등 이차전지 적용 시장이 지속해서 확대되고 있다. 특히, 항공, 선박, 철도 등의 운송 수단은 다수의 승객을 이동시키는 수단으로서 해당 운송 수단에 적용될 배터리 시스템은 높은 안전성을 요구한다.

버스, 트램, 철도차량, 선박의 경우 온종일 또한 짧은 간격으로 날씨와 관계없이 계속 운행되며, 외부의 환경에 대한 영향을 많이 받으므로, 기존의 리튬이온 배터리 대비 더더욱 높은 안전성을 요구하게 된다.

철도차량의 경우 무게가 매우 무겁기 때문에, 기존의 리튬이온 배터리가 감당할 수 있는 만큼의 출력 용량보다 더 큰 출력을 요구하게 되고, 회생제동에서 발생하는 큰 출력을 적극 수용하기 위해서는 높은 전류를 안전하게 받아들일 수 있는 고속충전 또한 가능해야 한다. 또한, 많은 승객을 수송하는 국가의 기간 교통수단으로서 배터리 화재 등으로부터의 위험을 최소화할 수 있는 배터리가 필요하다.

선박 역시 환경문제를 해결하는 근본적인 방안으로 추진시스템의 효율을 개선해 연료 소모량 감소 및 친환경 솔루션을 제공하기 위해 기계식 추진이 아닌 전동기로 추진하는 방식이 북유럽 국가를 중심으로 활발히 시도되고 있다. 선박의 운용 환경 역시 일반적인 전기자동차 대비 높은 출력과 함께 배터리 시스템의 높은 안전성을 요구하는 분야 중 하나이다.

전 세계적으로 가혹한 날씨 조건이 일상인 나라들에서는 높은 출력과 화재 대비 안전성, 넓은 온도 범위에서도 배터리가 안정적으로 성능을 유지해야 하는 것을 요구하고 있다. 예를 들면 우크라이나, 북미, 북유럽 등은 겨울철 폭설과 혹한이 반복되는 가운데서도 운행 거리가 유지되어야 하므로, 고안전성 및 저온에서의 특성이 특히 확보되어야 하는 것이다.

군수 분야의 경우, 군사적 목적을 달성하기 위해 자원을 동원하고 사용하는 모든 과정을 다루는 병과다. 군수의 핵심은 ‘필요한 것을 필요할 때 필요한 곳에 공급’하는 것으로 신속성과 안전성이 요구되며, 가혹한 환경조건에서도 임무를 수행해야 하는 매우 중요한 역할이다.

최근 들어 군용차량의 경우도 정숙성 및 높은 토크, 정비성 향상을 목적으로 전동화 기술이 개발되고 있다. 군용차량은 작전지역에 따라 기존의 전기자동차보다 더 가혹한 조건에서 많은 중량을 가지고 운용되기 때문에 고출력과 고안전성이 요구되며, 신속성도 요구되므로 고속충전도 지원할 수 있는 배터리 시스템이 필요한 분야 중 하나이다.

최근 들어 도시의 집중화 및 거대화, 대기오염으로 인한 탄소 중립 정책 등으로 새로운 모빌리티 솔루션으로 UAM(Urban Air Mobility)의 필요성이 제기되고 있다. 도심항공모빌리티는 지상과 항공을 연결하는 3차원 도심 항공 교통체계로서 도심 상공에서 사람이나 화물을 운송할 수 있는 차세대 교통체계 중 하나이다.

UAM은 전동기를 사용하여 구동하며, 이를 위해서는 안정적인 배터리 시스템이 필요하다. 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리의 경우 안전성 문제가 지속해서 제기되고 있으며, 이륙 및 착륙 시 고출력이 요구되므로, 배터리의 안정성 문제가 매우 중요하다. 또한 도심형 항공 모빌리티는 주기적으로 운용되기 위해서는 고속충전 능력을 요구하는데 이 또한 배터리의 안전과 밀접하게 연결된 부분이다.

높은 출력과 넓은 작동 범위, 고안전성이 확보된 LTO 배터리

위와 같은 운송 수단 및 응용 분야는 운용되는 횟수 및 주행거리, 환경 등을 고려하였을 때, 고출력 배터리가 적용되어야 하며 고속충전이 지원되어야 한다. 또한, 넓은 작동온도 범위가 지원되어야 하는데, 기존에 중점적으로 개발되어 양산되고 있는 이차전지의 경우 많은 부분이 부족한 상황이다.

언급한 것처럼, 특수목적의 응용 분야에 적용하기에는 문제가 많은 일반적인 리튬배터리를 보완할 수 있는 또 다른 형태의 배터리로서 LTO (Lithium Titanate Oxide) 배터리가 존재한다. LTO 배터리의 경우 기존의 이차전지처럼 양극재로는 삼원계를 사용하지만, 음극재를 흑연이 아닌 타이테니트로 구성하였으며, 상대적으로 에너지 밀도는 낮으나 고속 충전을 지원하고(15 C-rate 또는 그 이상), 우수한 저온 성능 및 높은 출력과 긴 수명 등의 우수한 동작 성능과 발화 위험이 없는 고안전성 배터리로 최근에 국내에서도 양산 개발되어 다양한 특수산업 분야에 적용 중인 것으로 알려져 있다.

현재 국내의 한 기업에서 LTO 배터리를 파우치 타입으로 양산 개발하는 데 성공하여 안전성, 저온 성능 개선과 연장된 수명, 빠른 충전 능력을 기반으로 철도와 트램, 스마트 로봇, 군수 응용 분야 등에 활용하고 있으며, 전기자동차, 전기추진 선박, ESS 등으로 활용 분야를 넓혀가고 있다.

LTO 배터리의 경우 매연 문제 등으로 전동화가 시급한 버스, 선박, 기차, 중장비 등과 같은 중대형 이동 수단에 사용되는데, 에너지 밀도를 높여 주행거리를 늘리는 것도 중요하지만, 그것보다는 짧은 시간에 큰 에너지를 출력하는 것이 중요한 특수산업 분야에서 적합한 성능을 가지고 있다. 또 하나의 큰 시장으로 현재 환경문제가 심각하게 대두되고 있는 기존의 납축전지를 대체하여 차량 시동용 배터리로도 활용될 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 기존의 납축전지는 매우 안전하기 때문에 자동차 등 광범위하게 사용되고 있지만, 납축전지의 재활용 과정에서 환경오염 문제뿐 아니라 건강상의 문제를 야기하기 때문에 LTO 배터리로 대체될 가능성이 높은 것이다.

LTO 배터리는 동일 부피 대비 에너지 용량은 일반 리튬이온 배터리에 비해 20% 정도 적지만, 작은 용량에도 불구하고 저온 성능 및 고출력, 고속 충전 지원 등 장점을 활용하여, 다양한 산업 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 또한, 대량 생산을 추진하고 있는 국내 기업을 통해 가격 경쟁력이 확보되는 시점이 앞당겨질 것으로 기대되어 반드시 안전한 배터리가 사용되어야 하는 응용 분야에서의 활발한 활용을 기대한다.

글 | 최웅철(국민대학교 자동차공학과 교수)실험 기반의 유체역학을 전공하기 위하여 미국 오하이오 주립대학교로 유학을 갔다. 박사학위를 위한 연구과제로 엔진 실린더 내부 유동의 3차원 측정 방법의 알고리즘을 완성한 후, 직접 3차원 엔진 실린더 내부 유동 측정 장비를 개발하기 위한 벤처회사를 설립했으며 포드자동차에 그 장비를 10여 년간에 걸쳐 납품했다. 기후변화와 관련하여 친환경 자동차 분야의 중요성을 깨닫고, 하이브리드 자동차, 수소연료 자동차, 그리고 전기자동차 시스템 분야 연구를 지속적으로 진행해 왔다. 최근에는 리튬이온 배터리 시스템에 대한 연구에 집중하고 있다. 특히, 리튬 이온 배터리의 상태 예측과 배터리 재활용 산업을 위한 배터리 상태의 고속 진단 기술 등에 대한 연구와 함께 전기자동차 사용자 편의를 극대화하기 위한 충전 인프라 구축전략 부분에 대한 연구도 진행하고 있다.

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