기계/조선

TOYOTA Technical Review_2019.8 특집 (p6-10)

미래의 배터리 기술
연료전지와 축전지
고히가시 테쓰야(小東 哲也) 외 1인 / 첨단기술개발컴퍼니 선진기술총괄부

1. 머리말
오늘날 국내외에서 ‘배출가스에 의한 대기오염’ ‘CO₂ 배출에 의한 지구온난화’ ‘화석연료의 고갈’이라는 위기감에서 전동차로 이목이 집중되고 있다. 전동차의 실용화에는 긴 역사가 있으며 다양한 시행착오를 겪어왔다.

1769년 프랑스 육군의 니콜라스 퀴뇨 대위가 세계 첫 삼륜 목제 자동차를 제작했다. 증기 압력으로 피스톤을 움직여 앞 바퀴를 구동하는 시스템으로, 자동차의 최초 동력원은 증기였다.

그 후에 1800년대 전반에는 전기자동차 개발에 계속 도전했지만 당시에는 실용에 이를 정도의 차량을 만들지 못했다. 그러나 1873년 세계에서 처음으로 영국의 로버트 데이비슨이 실용적인 전기자동차를 제조했다. 1886년에는 독일의 카를 벤츠가 제작한 삼륜 가솔린 자동차의 특허가 세계에서 처음으로 인정을 받았다. 1893년에는 사륜 가솔린 자동차가 탄생했다.

1800년대 당시는 증기기관차도 전기자동차도 경쟁력을 유지하고 있었고, 자동차에 적합한 동력원이 무엇인지 아무도 알지 못했다. 그 상황에서 1908년에 미국 헨리 포드가 제작한 튼튼한 소형 가솔린 자동차 T형 포드가 탄생했다. 1915년에는 누계 생산 대수 100만대를 넘으며 압도적인 판매를 보였다. T형 포드의 등장으로 가솔린 자동차 시대가 도래했다. 증기기관차와 전기자동차는 시장에서 차츰 모습을 감췄다.

1900년대 가솔린 자동차가 비약적인 발전을 이뤘지만 당시에도 ‘배출가스에 의한 대기 오염’ ‘CO₂ 배출에 의한 지구온난화’ ‘화석연료의 고갈’은 과제로 인식되었고 각지에서 연구가 이루어졌다.

도요타에서도 창업기부터 화석연료에 의존하지 않는 에너지의 필요성을 인식했고 그 위기 의식을 이어왔다. 도요타 사키치(豊田 佐吉)는 1925년, 축전지 발명에 대한 현상금을 제국발명협회에 기부했다. 1935년에는 제국발명협회가 사키치의 발안에 근거해 ‘축전지 발명 현상 모집’을 하였다. 제국발명협회는 축전지 연구를 위해 전문연구실을 연구소 내에 설치했다. 도요타 키이치로(喜一郎)도 사키치의 유지를 이어받아 1939년에 도쿄 시바우라에 축전지연구소를 설치, 전기자동차용 축전지에 대한 연구개발을 추진했다. 도요타는 그 후에도 가솔린자동차 보급이 확대되는 한편으로 환경 문제가 심각해지는 미래를 전망해 축전지를 사용하는 자동차 연구를 이어왔다. 1993년에 Town Ace EV, 1996년에 RAV4 EV의 실용화로서 결실을 맺었다.

1997년에 하이브리드차(HV) 프리우스를 세상에 출시하며 HV시대의 막을 열었다. 이후에 프리우스는 환경 대응 차로서 세계를 견인하면서 프리우스를 잇는 모델 전개도 가속시키고 있다. 또한 2014년에는 연료전지자동차(FCV) MIRAI 판매를 시작했다.

2017년에 도요타는 전동차 보급을 위한 도전을 발표했다. 목표는 2030년에 판매하는 도요타의 자동차 중 50% 이상을 전동차량, 10% 이상을 EV(전기자동차), FCV로 하는 것이다. 목표를 달성하기 위해서는 전동차량의 코어 기술인 모터, 배터리, 파워컨트롤유닛 개발이 중요하다. 본고는 배터리에 주목해 연료전지와 축전지에 대해 개관한다.

2. 전동차량, 연료전지, 축전지의 관계
전동차량이 폭넓게 이용되기 위해서는 각 나라와 각 지역의 에너지 사정, 정책, 고객의 기호 등 다양한 요구에 맞추는 것이 중요하다. EV, HV, FCV, PHV(플러그인 하이브리드차)와 같은 다양한 라인업의 전동차 개발을 추진하고 있다. 축전지와 연료전지를 모두 개발함으로써 모빌리티(이동수단)의 폭이 넓어지고 고객의 선택지도 증가한다.

3. 연료전지란?
연료전지는 수소와 산소를 화학 반응시켜 전기를 만드는 발전장치다. 화학 반응식은 <2H₂ + O₂ → 2H₂O + 4e^->다.

반응 과정에서 물만 생성할 뿐 CO₂ 배출량은 제로다. 또한 수소는 다양한 1차에너지로 제조할 수 있기 때문에 화석연료처럼 고갈 우려가 없고 안정적으로 공급할 수 있다. 그래서 세계 각지에서 친환경적이며 안정적인 공급을 기대할 수 있는 수소에너지 이용이 시작되었다.

4. 연료전기 개발의 시도
연료전지 연구의 역사는 깊다. 19세기에 유럽에서 시작되었다. 실용화의 기점이 된 것은 1960년대의 미국의 우주 개발이다. 우주선 제미니 5호나 아폴로계획에 채용되었다.

그 후에 지상 용도로서의 연료전지 개발 기운이 높아졌다. 1987년 Ballard Power Systems가 불소 이온교환수지를 전해질 막에 이용한 고체 고분자형 연료전지를 개발했다.

최근에는 각국에서 FCV∙이동체용 연료전지나 제어시스템의 기술 개발이 진척되었다. 현재, 경제산업성에서는 수소사회의 실현을 위해 수소에너지 이용 확대를 위한 기술 개발 등을 추진하고 있다. 보다 전략적∙효과적으로 추진하기 위한 수소기본전략을 책정하고 있다. 수소 이용의 비약적인 확대를 목표로 정치용 연료전지(가정용, 업무∙산업용)나 FCV∙이동체에 대해 보급 목표가 설정되어 있다.

도요타에서는 FCV 개발에 착수해 1996년에 연료전지와 수소흡장 합금탱크를 탑재한 FCEV-1을 개발했다. 2002년 12월에는 자사 개발한 연료전지 ‘Toyota FC Stack’를 탑재한 Toyota FCHV를 일본과 미국에서의 한정 판매를 계기로 실용화로의 첫 걸음을 내디뎠다. 2005년에 국내에서 처음으로 형식 인증을 취득했다. 2014년에는 FCV를 ‘궁극의 에코카’로 정의하고 MIRAI 판매를 시작했다. 차량 탑재한 수소와 공기 중의 산소의 화학반응으로 발생하는 전기로 모터를 구동해 주행한다.

도요타에서는 연료전지 스택(Stack), 고압수소탱크 등 FCV의 심장이라고 할 수 있는 FC시스템을 자사 개발하고 있다. MIRAI에 탑재한 연료전지 스택은 세계 최고 수준의 성능을 실현함과 동시에 차량 시트 밑에 배치할 수 있을 정도로 소형화되었다. 또한 수소 수요의 확대와 인프라 정비에 공헌하기 위해 대수가 많은 승용차를 위한 연료전지 기술을 상용차에 응용하고 있다.

2017년에 모토마치공장에 도요타자동직기의 FC 지게차 2대를 도입, 18년에는 20대를 더 도입했다. 또한 공장 내에 FC 지게차 전용의 수소 스테이션을 신설했다.

2017년에 미국 캘리포니아주에서 FC 대형 상용 트럭 실증실험을 실시, 18년에는 개량형 FC 대형 상용 트럭의 실용 가능성을 검증하기 시작했다. 또한 같은 해 도쿄에 FC 버스 SORA를 도입했다.

수소 스테이션 정비, 지역 교통에 FCV∙FC버스 도입, 철도 차량에 대한 FC 기술의 응용 등 폭넓은 수소 활용을 위해 18년 9월에 도요타와 JR동일본은 철도와 자동차의 모빌리티 연계를 축으로 한 포괄적인 업무 연계 기본합의를 체결했다.

이처럼 FCV는 시장에서 점점 확대되고 있다. 본격적인 보급을 위한 향후 과제는 FCV의 비용 삭감과 수소 스테이션의 정비다.

5. 연료전지의 보급을 위해
FCV의 본격적인 보급을 위한 비용 삭감과 수소 스테이션의 정비에 관한 시도를 소개한다.

HV의 본격적인 보급에서도 비용 삭감은 큰 과제 중 하나였다. 도요타는 세계에서 가장 먼저 소형화∙경량화∙비용삭감을 추진해 왔다. FCV는 FC기술과 HV기술의 결합체다. FC 전용 부품의 비용 삭감과 함께 HV기술을 FCV에 응용해 FCV의 비용 삭감을 가속해 나간다.

수소 스테이션의 보급에 대해서는 전략적 정비, 효율적인 운영 등을 들 수 있다. 2018년 2월에 도요타는 물론 올재팬 체제로 수소 스테이션 정비를 추진하는 ‘일본수소스테이션네트워크합동회사(JHyM)’가 설립되었다. 수소 스테이션 정비를 위해 인프라사업자, 자동차회사, 금융투자가 등이 협력하는 세계 첫 시도다. 이와 같은 올재팬 체제의 시도는 FCV 보급과 수소 스테이션의 조기 자립화를 촉진할 뿐 아니라 일본의 수소 사회 실현에 공헌할 것으로 생각한다.

앞으로 FCV과 수소 스테이션의 과제를 해결해 선순환을 창출하면 연료전지 차량이 시장에 본격 보급될 것으로 생각된다.

6. 축전지란?
배터리는 1회용 배터리인 1차 전지와 충방전을 반복하며 사용할 수 있는 2차전지(축전지)로 나뉜다. 1800년대 볼타 배터리가 등장한 이래 건전지로서 휴대하기 편리한 형태까지 개량을 거듭하며 축전지화로까지 진전했다. 대표적인 충방전 가능한 축전지는 니켈카드뮴전지와 니켈수소전지, 리튬이온전지다.

니켈카드뮴전지는 1899년에 등장해 1970년대부터 급속하게 성장했다. 전기 면도기 등의 소형 민생 무선 기기의 전원으로서 생산량이 크게 증가했다. 그러나 그 후에 등장한 니켈수소전지나 리튬이온전지와 비교해 용량당 무게가 크다는 등의 결점이 있다.

니켈수소전지는 니켈카드뮴전지 에너지 밀도의 1.5배로, 니켈카드뮴전지를 대신할 고용량 전지로서 등장해 1990년부터 실용화되었다.

리튬이온전지는 1991년에 이동전화에 탑재되었다. 그 후에 이동전화나 컴퓨터 전원에 널리 사용되었고 고에너지 밀도와 고출입력 밀도의 달성을 위해 막대한 노력을 지불해 왔다. 최근에는 정치형 전원용 및 전기자동차용의 대형∙대용량 리튬이온전지의 실용화에 이르렀다. 이것은 소형 배터리 기술의 진척으로 대형 배터리의 실용화 전망이 섰고, 환경∙에너지 관점에서 사회적 요구가 높아진 것도 큰 원동력이 되었다고 할 수 있다.

7. 축전지 개발 시도
축전지의 연구개발은 재료나 구조의 진화는 물론 전동차용 축전지 평가 방법이나 제어 시스템의 개발과 함께 발전을 이어왔다. 용도에 맞춘 성능을 가진 축전지를 개발하는 단계에 이르렀다.

본장에서는 HV, PHV, EV용 축전지에 대해 소개한다. 각 용도에 따라서 향후 축전지에 요구되는 성능은 다르지만 전동차 보급에는 고출력화∙저비용화는 필수다. 특히 EV용 배터리에는 항속거리를 늘리기 위한 고용량화가 향후 과제다.

7.1 HV용 축전지
프리우스(15년 모델)는 니켈수소전지와 리튬이온전지의 두 종류를 라인업했다. 니켈수소전지는 전극재료 및 배터리케이스 구조의 신규 개발을 통해 충전 성능을 향상시켰다. 또한 리튬이온배터리는 전극 재료를 신규 개발함으로써 셀 저항의 저감에 성공해 출력 성능이 대폭으로 향상되었다.

니켈수소전지는 저온에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있는 것이 특징이고 리튬이온배터리는 에너지밀도(부피 당 저장된 에너지의 양)가 비교적 높은 것이 특징이다.

도요타에서는 고객이나 지역의 수요에 맞춰서 각각에 필요한 특성에 맞춰 배터리를 구분 사용하고 있다.

7.2 PHV용 축전지
프리우스 PHV에는 부드럽고 강력한 EV 주행을 위해 소형, 경량, 고용량의 리튬이온 배터리를 탑재했다.

2016년에 미국에서 ‘프리우스 프라임’으로 발매된 2대 프리우스 PHV는 15년 가을부터 16년 가을에 걸쳐 데뷔한 신형차 중에서 가장 환경 성능이 뛰어난 1대로 선정돼 ‘2017 World Green Car of the Year’를 수상했다.

7.3 EV용 축전지
EV용 축전지에는 PHV용 축전지 이상으로 고용량이 요구된다. 리튬이온 배터리 개발을 더욱 추진해 성능을 향상시킨다. 또한 차세대배터리 개발도 추진할 필요가 있다.

8. 축전지 개발의 향후 방향성
도요타는 전동차의 보급을 위해서는 배터리의 혁신이 필요하다고 판단해 축전지의 고출력화, 고용량화에 착수하였다. 전고체배터리, 금속공기배터리, 나트륨이온배터리, 마그네슘배터리 등의 연구개발을 진행하고 있다. 현시점에서는 ‘전고체 배터리’가 가장 실용화(차량탑재 가능)에 가깝다. 생산기술도 포함해 연구 개발에 착수하고 있다.

일반적인 리튬이온 배터리는 정극활물질에 리튬 함유 천이금속산화물, 부극활물질에 탄소재료, 유기 용매에 전해질로서 리튬염을 녹인 전해액을 이용한 배터리다.

한편 전고체 배터리는 전해액 부분을 고체 전해질로 대체한 배터리다. 전해액 중의 리튬양보다 고체 전해질 속의 리튬양이 많다. 또한 같은 시간에 이동할 수 있는 리튬양은 전고체 배터리가 많아져 배터리의 소형화가 진행될 가능성을 안고 있다. 배터리의 소형화가 진행되면서 일정 공간에 지금까지 이상으로 많은 배터리를 탑재할 수 있어 고용량화도 진행될 것으로 생각된다.

9. 맺음말
모빌리티의 다양화를 실현하기 위한 기반 기술인 연료전지와 축전지의 개발은 상당히 중요하다. 연료전지와 축전지의 발전 없이 전동차의 보급은 진행될 수 없다.

한편 연료전지와 축전지의 발전만으로는 전동차 보급은 어렵다. 전동차에 실은 연료전지와 축전지가 최고 성과를 발휘할 수 있는 제어시스템이나 인프라 환경 정비 등이 필수다.

세계 각국에서 전동차 개발이 활발해진 현상을 고려해 앞으로는 자사뿐 아니라 각 그룹회사, 거래처, 관계 회사, 연구기관과 협력해 전동차의 보급을 세계에서 촉구해 나가고 싶다.

 -- 끝 --