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

차량 동력원 에너지 밀도 비교(미국에너지부)

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.

배터리별 에너지 밀도

리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 에너지 밀도 비교

리튬2차전지

리튬2차전지는 높은 에너지밀도와 출력밀도 특성으로 인하여 휴대용 전자기기에 널리 사용되어 왔으며, 최근에는 하이브리드 및 전기자동차에도 적용되고 있다. 리튬이차전지는 리튬이온을 가역적으로 저장할 수 있는 양극과 음극 재료를 사용하며, 사이에 리튬이온만을 전도시키는 전해액과 양극과 음극의 직접 접촉으로 인한 전기적 단락을 막는 분리막으로 구성되어 있다. 양극 소재 LiCoO₂와 음극 소재 카본은 리튬이온을 가역적으로 저장할 수 있으며, 전해액을 통해 리튬이온이 이동함과 동시에 외부 회로를 통해 전자가 이동하게 되어 이 에너지를 이용하게 된다.

리튬이차전지의 에너지 밀도는 기본적으로는 양극과 음극 소재가 가역적으로 저장할 수 있는 리튬이온의 양에 의해 결정되며, 따라서 보다 많은 리튬이온을 가역적으로 저장할 수 있는 소재 연구가 활발히 수행되고 있다. 1991년 리튬이차전지가 최초 상용화될 당시에는 LiCoO₂ 양극이 주로 사용되었으나 최근 자동차용으로는 고용량의 Li(NixCoyMnz)O₂계가 주로 사용되고 있으며, Ni함량을 높이는 연구가 활발히 진행중이다. 또한 음극소재로는 고용량의 실리콘 혹은 리튬메탈이 검토되고 있다. 그러나 리튬이차전지는 이론적 에너지밀도 한계에 거의 근접하고 있으며, 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 차세대전지 개발 필요성이 더욱 증가하고 있다.

리튬이온 배터리

리튬 이온 배터리의 기술 혁신을 통해 달성 가능한 에너지 밀도는 현재 무게 기준 250Wh/kg, 부피 기준 700Wh/l에서 최대 350Wh/kg, 800Wh/l까지도 가능할 수 있을 것으로 예상되며, 1회 충전시 주행 거리는 500km 내외로 예상된다. 중국의 파라시스라는 배터리 업체에서 2020년 3월 에너지 밀도가 현행 배터리보다 25% 높은 330Wh/kg짜리 배터리를 개발했다고 밝히기도 했다. 그러나 그림에서 볼 수 있듯이, 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 충전 상한 전압의 상승, 최적화 등을 통해 진보하였으나, 작동 원리 및 이에 기반한 전극 소재의 혁신 없이는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 태생적 한계를 넘어설 수 없다. 리튬 이온 배터리의 이론적으로 가능한 최대 에너지 밀도를 넘어 보다 근원적인 혁신은 포스트 리튬 이온 배터리의 개발을 통해서 가능하리라 점쳐지고 있다.

리튬공기전지

이름 그대로 공기 중 산소를 양극 소재로 활용하여 충방전 작동을 하는 배터리로 내연기관에 준하는 높은 이론 에너지 밀도를 갖고 있으며 이는 리튬 이온 배터리의 10배에 해당된다. 음극으로 리튬메탈을 사용하는 시스템으로 공기중의 산소를 사용하기에 셀의 에너지밀도를 극대화할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나, 충방전 중의 비가역적인 중간상의 생성으로 인하여 가역성이 낮아 재충전하여 사용할 경우 용량이 급격히 줄어드는 단점이 있다. 또한 산소 공급 시스템 등을 고려하면, 셀 레벨이 아닌 팩 단위에서는 에너지밀도 향상폭이 그리 크지 않을 수 있다는 우려도 있다.

미국 IBM에서는 배터리500 프로젝트를 수행하여 일충전 주행거리 500마일의 전기차를 상용화하기 위하여 리튬공기전지에 대한 연구를 활발히 수행하고 있다. 또한 일본의 산업기술종합연구소에서는 고체전해질을 도입하여 리튬공기전지의 내구성을 향상시켰으며, 셀 디자인 및 컨셉을 구현하는 연구를 수행하고 있다.

리튬 황 배터리

리튬 황 배터리는 양극으로 황, 음극으로 리튬메탈을 사용하는 시스템으로, 리튬을 많이 저장할 수 있는 황의 사용으로 인하여 종래 리튬이차전지의 양극재료 대비 10배 가량 높은 1862mAh/g의 높은 용량 구현이 기대된다. 다만, 황의 낮은 전자전도도로 인하여 도전재인 카본의 함량이 높아야 하기에 실제 셀의 에너지밀도는 기대만큼 높이기는 어려우며, 충방전 중간 생성물이 용해되며 용량이 감소되는 현상으로 인하여 충방전 수명이 열세인 단점이 있다.

전고체 배터리

전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채웠기 때문이다.

전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤이다.

수소연료전지

토요타 미라이에 사용된 수소연료전지 기준 에너지 밀도는 1330Wh/kg 이다. 이는 배터리 대비 수소연료전지가 같은 무게당 약 4~5배이상의 더 많은 에너지를 낼 수 있다는 것을 의미한다. 바꾸어 말하면 같은 에너지를 내기 위해서 배터리가 수소연료전지보다 5배 이상 무거워져야 가능하다 라는 것을 말한다. 수소차의 경우, 연료전지스택은 그대로 두고 수소연료를 충전해 보관하는 고압수소탱크만 더 달면 되는 구조이기 때문이다.

체적당 에너지 밀도(Wh/L) 계산

각형타입

원통형타입

400Wh/L 이 넘어가면 인증(KC)을 받아야 된다.

각형 타입

 : Wh/L = Wh / L

Wh = 전압(V) X 전류(A)

체적 : 두께(T) X 폭(W) X 높이(H) X 0.000001 / 단위: mm

예) FT604265P Li-Polymer 3.7V 1.5A

 : Wh/L= 5.55/0.014=396Wh/L

- Wh = 3.7(V) X 1.5(A) = 5.55Wh

- 체적 : 6.0(T) X 42(W) X 56 X 0.000001 = 0.014

원통형 타입

 : Wh/L = Wh / L

Wh = 전압(V) X 전류(A)

체적 : 반지름 X 반지름 X 3.14 X 높이(H) X 0.000001/ 단위: mm

예) 18650 3.7V 2.8A

 : Wh/L= 6.66/0.01653 = 403Wh/L

- Wh = 3.7(V) X 1.8(A) = 6.66Wh

- 체적 : 9 X 9 X 3.14 X 65 X 0.000001 = 0.01653

• 배터리의 Max크기로 계산을 하여야 하나, 편의상 일반적인 치수로 계산한 값이다.

참고자료

• Brian_Lee, 〈배터리 에너지 밀도〉, 《디지키》, 2021-04-29
• 〈전기차 윈터패키지는 필수? | EVPOST〉, 《이브이포스트》, 2018-11-28
• 오소영 기자, 〈SK이노베이션, 中 배터리 에너지밀도 순위 2위 도약…LG화학 제쳐〉, 《더그루》, 2020-10-16
• 이수환 기자, 〈전기차 배터리 에너지 밀도 10년 만에 3배 증가〉, 《디일렉》, 2020-02-21
• 정리남 꿈꾸자인생, 〈에너지밀도와 관련된 수소에너지의 미래와 응용은? (feat. 리튬이온배터리와 비교)〉, 《티스토리》, 2020-10-23
• 〈전고체 배터리란 무엇일까?〉, 《삼성SDI》
• 김한수 연구원, 〈오토저널 차세대 배터리 : 차세대 xEV 배터리 기술〉, 《다나와 자동차》, 2020-11-02
• 김경수 연구원, 〈오토저널 전기자동차용 배터리의 기술 현황 및 이슈〉, 《글로벌오토뉴스》, 2018-04-10
• 박상우 기자, 〈中 파라시스, 현행 배터리보다 에너지밀도 25% 높은 차세대 배터리 기술 공개〉, 《M오토데일리》, 2021-03-29
• 〈전기차 윈터패키지는 필수? | EVPOST〉, 《이브이포스트》, 2018-11-28

같이 보기

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