에너지밀도

에너지 밀도(energy density)는 단위 부피 또는 단위 무게 당 가지고 있는 에너지의 양을 뜻한다. 전지나 연료의 효율을 나타내는 지표이다. 에너지 밀도는 단위 중량당 혹은 체적당 에너지를 얼마나 저장할 수 있는냐로 측정한다. 즉, 에너지 밀도가 높다면 같은 에너지를 가지고 있다 하더라도 부피가 작거나 무게를 적게 만들 수 있다.

에너지 밀도는 전기차 주행거리를 좌우하는 요소다. 에너지 밀도가 높을수록 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리도 길어져 에너지 밀도를 높이는 기술이 배터리 업계의 화두가 되고 있다. 시장조사업체 블룸버그NEF(BNEF)에 따르면 2020년 전기차 배터리 에너지 밀도는 Kg당 300와트시(Wh/Kg)를 기록할 것으로 이는 지난 2010년 100Wh/Kg과 비교해 3배 늘어났다.

개요

배터리 에너지 밀도는 특정 단위(질량 또는 용량)에 담을 수 있는 에너지의 비율이다. 배터리의 에너지 밀도는 일반적으로 두 가지 방식으로 표현된다.

배터리의 중량 에너지 밀도는 배터리 무게에 비해 얼마나 많은 에너지를 배터리가 포함하고 있는지를 측정하는 것으로, 일반적으로 와트시/킬로그램( W-hr/kg )으로 표현된다.

배터리의 체적 에너지 밀도는 배터리 체적에 비해 얼마나 많은 에너지를 배터리가 포함하고 있는지를 측정하는 것으로, 일반적으로 와트시/리터( W-hr/l )으로 표현된다.

차량 동력원중에서 동일한 부피일 경우 에너지 밀도를 보면 가장 높은 에너지 밀도를 보이는 것은 디젤(경유, 100%) 그리고 네 번째에 휘발유(가솔린, 87.2%), 여섯 번째에 LPG (60%) 그리고 한참 뒤의 12번째에 Ni-MH 배터리(1.3%)가 있다. 리튬이온 배터리를 적용하면 조금 좋아지기는 한다. 배터리의 이같은 단점을 극복하기 위해 고체연료전지를 적용하여 2025년에 리터당 700Wh를 목표로 하는 연구가 진행중이고 리튬공기전지는 2030년에 리터당 1000Wh를 목표로 연구가 진행중이지만 리터당 1000Wh를 적용하더라도 여전히 내연기관 연료인 디젤, 가솔린이 압도적인 에너지밀도를 보여준다.(약 16배) 이처럼 내연기관 연료의 에너지 밀도를 배터리가 따라갈수는 없다. 이렇듯, 배터리의 에너지 밀도가 낮다보니 전기차는 배터리의 크기가 클 수 밖에 없다. 그나마 HEV(하이브리드), PHEV(플러그인하이브리드) 자동차의 배터리는 전기차보다 작다.

참고자료

• Brian_Lee, 〈배터리 에너지 밀도〉, 《디지키》, 2021-04-29

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