이동 에너지

손전등이나 테슬라, 무엇이든: 배터리 없이는 작동하지 않습니다. 하지만 미래의 배터리 기술은 무엇일까요? 전 세계의 연구자들이 모두 새로운 솔루션을 찾고 있습니다.

e-모빌리티, 어떤 것도 이것 없이는 아무 소용이 없습니다: 배터리. 이것은 정확하게 작동하고 있는 무수히 많은 차량과 애플리케이션에 “주스”를 공급하는 바, 이러한 것을 전기 콘센트에 연결할 필요가 전혀 없기 때문입니다. 하지만 과거 수십 년에 걸쳐 기술에 커다란 진보가 이루어졌다고 하더라도, 배터리는 최신 하이테크 전자 장치에 비하면 약간 구식인 것처럼 보입니다. 예를 들어, 스마트폰의 마이크로프로세서는 수 초 내에 수십 억 번 작동할 수 있습니다. 하지만 배터리를 충전하려면 몇 시간이 걸립니다. 또한 설치된 구성 요소 전체 중 가장 무겁습니다. 소비자는 이를 귀찮은 일이라고 생각할 수 있지만, 에너지 저장 장치와 그 장치 내에서의 화학적 반응을 반도체 산업에서 흔히 있는 정도로 축소할 수 없다는 것은 단순히 자연의 본질일 뿐입니다. 일상 생활에서 우리는 다음과 같은 다양한 타입의 배터리를 만납니다:

• 예를 들어, 리모컨과 시계에 사용하는 값싼 알칼리 배터리
• 알칼리 배터리와 비슷하게 사용하지만 충전할 수 있는 니켈-카드뮴 배터리
• 예를 들어, 카메라, 전동 드릴 및 전기차에 사용하는 리튬-이온 배터리
• 예를 들어, 스마트폰과 태블릿에 사용하는 리튬-폴리머 배터리. 리튬-폴리머 배터리는 특별한 형태의 리튬-이온 배터리로서, 액체 전해질 대신 겔 전해질을 사용하기 때문에 상당히 납작하게 제조할 수 있습니다. 하지만 이 배터리는 리튬-이온 배터리보다 더 민감합니다.

오늘날 리튬 배터리가 배터리의 기준이지만, 이 배터리에는 간과할 수 없는 단점이 있습니다. 내장된 배터리가 타거나 심지어 폭발하기도 하는 스마트폰이나 전기차의 사진을 본 적이 있는 사람이 많을 것입니다. 끔직한 장면입니다. 바로 이 때문에 전 세계의 연구자들은 새로운 배터리 타입과 기술을 찾고 있습니다. 그 목표는, 배터리의 크기, 무게, 충전 시간 및 가격을 낮추면서 안전성은 증대시키는 것입니다. 또한 리튬 및 코발트 원소(많은 배터리에서 주요 구성 요소)을 무한히 이용할 수는 없습니다.

마그네슘 배터리가 후속 타입일 기능성이 있습니다. 이 기술은 칼스루에 기술연구소(Karlsruhe Institute of Technology: KIT) 및 울름에 위치한 헬름홀츠 연구소(Helmholtz Institute)가 진행하는 연구 프로젝트의 주제입니다. “마그네슘 배터리에는 기존의 리튬-이온 배터리에 비해 의심의 여지가 없는 장점이 있습니다,”라고 KIT는 한 보도 자료에서 쓰고 있습니다. 양극 소재로서 마그네슘은 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가능하게 하고 훨씬 더 안전할 것입니다.” 또 다른 장점: 마그네슘은 리튬보다 약 3000배 정도 더 흔히 있는 원소이고 재활용하기에도 더 쉽습니다. “유럽에서 잘 진척되어 발전이 이루어지면, 마그네슘 배터리는 아시아의 배터리 제조업체가 가지고 있는 우위를 약화시키고 유럽에 경쟁력이 있는 배터리 산업을 구축하는 데 도움이 될 것입니다,”하고 KIT는 쓰고 있습니다. 또 다른 후보는 고체 배터리라고 알려진 것으로서, 이는 놀랍게도 유리입니다. 유리에 함유된 나트륨은 가장 흔한 원소 중 하나입니다. 특수 유리 전해질을 가지고 있는 이러한 배터리는 수 분내에 충전시킬 수 있는 능력이  있으며 또는 발화할 수 있는 리튬-이온 배터리보다 더 안전합니다. 하지만 그러한 배터리 기술이 시장에 출시되고 리튬-이온 배터리를 대체할 수 있으려면 어느 정도의 시간이 지나야 할 것입니다.

맥슨이 배터리의 세계를 탐사합니다

드라이브 전문 회사 맥슨이 제조한 배터리? 미래를 위한 계획처럼 들릴 수 있지만, 이는 이미 현실입니다. 맥슨은 일반적인 자전거를 전기 자전거로 바꾸는 개조 키트인 BIKEDRIVE를 개발하면서 전원 저장의 세계로 들어가는 여정을 시작하였습니다. 맥슨은 배터리 공급업체에게서 몇몇 어려움을 겪은 후, 자체적인 배터리를 제조하기로 결정하였습니다. 하지만 행동으로 옮기는 것은 말하는 것보다 어렵습니다. 배터리를 제조하려면 공학적 창의성과, 기술 지식 및 전문적인 설비가 필요합니다. “당사에게 이것은 비교적 새로운, 하지만 흥미로운 분야입니다.”라고 맥슨의 고급 로봇 공학 및 시스템(mars) 부서에서 근무하는 베니 켈러(Benny Keller)는 말합니다.

배터리 팩은 대개 3.7 V의 전압을 공급하는 몇 개의 개별적인 셀로 구성되어 있습니다. 이러한 개별적인 셀의 배선 방법에 따라 배터리 팩의 사양은 상이합니다. 셀이 직렬로 배선된 경우, 그 전압이 더해집니다. 셀을 병렬로 배선하면 배터리의 용량이 증가합니다. 그러한 개별 셀을 최적의 상태로 결합하기 위해서는 숙련도와 기술 지식이 필요합니다. “또한 충족시켜야 할 안전 규격도 많이 있습니다.”라고 베니 켈러는 설명합니다. 전문가가 셀을 접착하고 배선한다고 해서 배터리 팩이 완성된 것은 아닙니다. 배터리 관리 시스템(BMS)도 필요합니다. 전자 장치는 대개의 경우 배터리 케이스에 있는 PCB에 설치됩니다. 맥슨의 전문가가 자체적인 BMS를 개발하여 생산하였습니다. 이 BMS에 의해 셀이 균일하게 충전되고 방전되었습니다. 이는 배터리의 사용 수명에 중요한 요소입니다. BMS에 대한 안전 측면도 있습니다. 예를 들어, 이 시스템은 극단적으로 낮거나 높은 온도에서 배터리가 충전되거나 부하를 받는 것을 방지합니다.

이 분야의 새로운 진입자로서 맥슨이 하루아침에 배터리를 대량 생산하기 시작할 수 없다는 것은 확실합니다. 하지만 기스빌의 작업장에는 시제품을 제조하고 소량으로 생산할 수 있는 설비가 잘 갖추어져 있습니다. 대량으로 생산하는 경우, 맥슨은 남독일에 소재한 저명한 제조업체의 지원에 의존합니다. 물론 맥슨의 배터리는 e-모빌리티 및 로봇 공학 애플리케이션용으로 설계되었습니다.