무게가 거의 제로인 '구조적 배터리'란?

전기자동차가 탑재하는 배터리는 일반적으로 가솔린 엔진보다 무겁기 때문에 전기자동차는 동급의 가솔린차보다 차체가 무겁고 이 배터리의 무게가 전기자동차의 연비 개선의 걸림돌이 되고 있습니다. 스웨덴 챠르마스공과대학의 Leif Asp 교수는 강도를 갖게 한 배터리를 차체의 일부로 하여 배터리의 하중을 거의 제로인 'Structural Battery(구조적 배터리)'의 개발에 진력하고 있습니다.

Big breakthrough for ’massless’ energy storage | Chalmers
https://www.chalmers.se/en/departments/ims/news/Pages/Big-breakthrough-for-%E2%80%99massless%E2%80%99-energy-storage.aspx

배터리를 차체의 일부로 한다는 아이디어는 이전부터 제창되고 있었습니다. 예를 들어, 이탈리아의 자동차 제조업체 람보르기니와 매사추세츠공과대학은 2017년 휠에 배터리를 내장하여 경량화 및 공간절약을 달성한 전기자동차 컨셉 모델 'Terzo Millennio'를 발표했습니다.

The Lamborghini Terzo Millennio concept is a lightning strike from the future - The Verge
https://www.theverge.com/transportation/2017/11/6/16613998/lamborghini-terzo-millennio-electric-concept-car-photos

The Lamborghini Terzo Millennio concept is a lightning strike from the future

이러한 '구조적 배터리'의 실용화에는 강도와 배터리로서의 성능을 양립시키는 과제를 해결해야 합니다. 그래서 Asp 교수 연구팀은 탄소섬유 강화 탄소복합재료 등에 사용되는 탄소섬유가 배터리의 음극으로서의 기능을 가지는 것에 주목했습니다. 스웨덴왕립공과대학의 연구진과 공동으로 높은 강도와 강성을 유지하면서 전기에너지 저장이 가능한 탄소섬유로 구조적 배터리를 개발했습니다.

Asp 교수가 제작한 구조적 배터리는 탄소섬유 전극과 인산철리튬 전극을 유리섬유로 만들어진 천으로 구분해 그 사이에 전해액을 함침시킴으로써 제조되었습니다.

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이 구조적 배터리의 에너지밀도는 24Wh/kg, 중량당 용량은 현재의 리튬이온 배터리의 약 20% 정도라고 합니다. 연구팀은 "이 구조적 배터리를 차체에 사용하면 차체의 무게를 크게 줄여 전기자동차를 주행시키기 위해 필요한 전기에너지를 적게 하는 것이 가능하고, 강성도 일반적인 건축재료에 필적하는 25GPa에 달합니다. 또한 에너지밀도가 낮다는 점은 안전성면에서는 오히려 유리하다고 말할 수 있습니다"라고 설명합니다.

Asp 교수는 "지금까지 만들어진 구조적 배터리는 기계적 특성 또는 전기적 특성 즉 강도 또는 크기 중 한쪽이 뛰어나다는 것에 불과했지만, 탄소섬유를 채용함으로써 그 모두에서 경쟁력있는 구조적 배터리를 설계하는 데 성공했습니다"라고 말합니다.

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연구팀은 향후 스웨덴국립우주위원회가 출자하는 새로운 프로젝트를 통해 이 구조적 배터리를 더욱 개선해나갈 예정이라고 합니다. 최종적으로 75Wh/kg의 에너지밀도와 알루미늄에 버금가는 75GPa의 강성을 자랑하는 구조적 배터리가 실현될 것으로 Asp 교수는 전망합니다.