[공학저널 전찬민 기자] 빠른 속도로 점유율을 높여가고 있는 전기차가 2040년에는 전체의 절반을 넘길 전망이다. 이에 발맞춰 효율적인 배터리 시스템 개발과 충전시간을 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전기차의 성능은 배터리가 좌우한다는 말이 과언이 아니다. 지난해 글로벌 배터리 시장점유율에서 국내 전지 3사가 Top10 안에 위치하며 세계시장의 30% 이상을 점유했다.
이렇듯 현재 전기차에 탑재되고 있는 국내 리튬배터리의 기술경쟁력과 산업경쟁력은 세계 최고 수준을 자랑하고 있다. 성장하는 전기차 시장과 더불어 전세계적으로 배터리에 대한 수요가 급증하고 있으며, 국내 배터리 3사의 위상과 경쟁력은 더욱 높아지고 있는 상황이다. 전고체 배터리와 같은 차세대 배터리가 상용화되기까지는 현재의 리튬배터리 시장이 지속적으로 확대될 것으로 전망되고 있으며, 반도체 산업을 뛰어넘는 우리나라 핵심 중추산업으로 발전할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
이에 따라 배터리 산업과 기술의 발전에 있어 선결돼야 하는 문제는 배터리를 구성하는 주요 소재에 대한 안정적인 공급망 확보가 중요하지만 앞으로 해결해야할 숙제도 남아 있다.
최근의 요소수 문제, 일본의 수출규제 등 주요 소재의 무기화가 되고 있어 가장 우려가 되는 상황이다. 특히 다양한 원재료를 필요로 하는 배터리의 경우는 더욱 작은 소재 하나하나에 따라 성능이 달라질 수 있다는 것이다. 보다 확실한 자원과 소재 공급망 구축이 무엇보다 시급하게 해결해야 할 사안이기도 하다.
또한 전기차 충전인프라 부족은 그동안 전기차 사용자의 불편을 초래하는 큰 이유 중에 하나였다. 물론 지금도 충분한 수준은 아니지만 전기차 보급뿐만 아니라 기술개발과 더불어 충전 인프라에 대한 문제는 점차 개선되고 있는 상황이다.
이제는 사용자 중심의 충전 인프라 보급이 확대되고 있으며, 충전시간 단축과 충전 편의성 향상을 위한 초급속 충전, 무선 충전, 자동 충전 등의 기술이 상용화 수준에 이르고 있어, 충전 인프라에 대한 사용자의 불편은 상당히 완화될 것으로 기대되고 있다.
이렇듯 전기차로 패러다임이 전환됨에 따라 세계 시장을 주도하고 있는 국내 배터리시스템과 충전 인프라에 대해 관심이 높아지고 있으며, 배터리 3사 외에도 많은 연구기관과 기업에서 지속적인 연구 개발에 주력하고 있다.
특히 한국자동차연구원 전기에너지제어연구센터는 2000년도 초반부터 차량 내의 전기에너지 저장과 전력변환 등에 대한 연구를 수행하며, 42V 전원체계용 에너지저장시스템 개발을 시작으로 플러그인 하이브리드차용 배터리시스템, 전기차용 배터리시스템 등으로 점차 연구영역을 확장했다. 이를 통해 배터리시스템에서 중요한 배터리관리장치(BMS; Battery Management System)의 자체 개발 역량을 확보하고 있다.
현재 센터에서는 배터리시스템 HILS(Hardware in the loop simulation)와 더불어 가상 배터리시스템인 VBS(Virtual Battery System)를 활용한 배터리시스템의 설계 및 평가/검증기술 개발에 집중하고 있다. 이는 디지털 트윈 기술로 확장해 시간과 비용이 많이 필요한 배터리시스템의 설계, 평가, 검증의 프로세스를 획기적으로 줄이고 개선할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
또한 전기에너지제어연구센터는 전기차 충전과 관련한 다양한 연구개발을 수행해 충전 커플러 개발, 자가 진단기능을 갖는 급속충전기 개발, 무선·로봇 충전시스템의 평가기술 개발 등을 수행했다. 특히 자율주행 기능 구분과 같이 나름의 자동충전의 레벨을 정의했으며, 자동충전 레벨에 따른 센터 역량 강화와 타 센터 또는 기관과의 협업을 적극 추진하고 있다.
한국자동차연구원 전기에너지제어연구센터 신동현 센터장(사진)은 “전기차 보급의 확대와 함께 전기차용 배터리 또한 전기차 시장에 버금가는 시장으로 성장하고 있다”며 “한동안 지금의 리튬배터리가 시장의 주류를 이룰 것으로 예상되며, 차세대 배터리로 거론되는 전고체 배터리가 전기차용 배터리를 대신할 수 있을 것으로 예상하고 있다”고 말했다.
그는 이어 “하지만 고체 전해질을 적용하기 위해 아직은 실험실에서만 구현가능한 수준으로, 전기차에 탑재하기 위해 필요한 시스템과 상용화 기술의 완성에는 아직 시간이 필요하다”며 “전고체 배터리는 전기차에 탑재하여 성능을 확보하기 위해서는 전고체 배터리 셀뿐만 아니라 시스템 기술 또한 중요하다”고 덧붙였다.
전고체 배터리 셀이 전기차에 탑재할 수 있는 수준의 성능을 확보하게 된다면, 이를 효율적으로 운전할 수 있도록 하는 제어기술과 열관리기술 등의 시스템 고도화 기술이 필요하다. 이에 따라 전기에너지제어연구센터에서는 전고체 배터리의 시스템 기술을 차기 연구개발 아이템으로 정하여 적극적인 기술개발을 추진할 예정이다.
또한 기술력과 생산력의 우위를 점하고 있는 K-배터리의 경쟁력을 한 단계 더 레벨업 시킬 수 있도록 배터리 기술뿐만 아니라 산업의 경쟁력 제고에 이바지하고자 연구 개발에 매진할 예정다. 특히 안정적인 배터리 생태계 조성을 위해 전문인력과 인프라가 충분치 않은 중소중견기업의 기술경쟁력 제고를 위한 연구개발과 평가/검증 지원을 보다 강화할 계획이다.
신 센터장은 “전동화 기반의 미래 모빌리티용 에너지저장시스템에 대한 고도화 기술개발을 지속할 예정이며, 우주 모빌리티용 에너지저장시스템에 대한 선행 연구에도 관심을 갖고 추진하고자 한다”며 “멀지않은 미래에 달리는 모든 것들이 배터리에서 동력을 받아 움직이고, 우리 기술로 만든 달 탐사 로봇이 달 표면을 달려 우주로의 영토 확장을 꿈꿀 수 있도록 연구개발에 최선을 다할 계획”이라고 말했다.
