EETimes Japan 2011-09-05
가솔린에서 전기로. 자동차의 동력원의 변화가 진행되기 시작하고 있다. 다만 전지 수명이 짧은 하이브리드 자동차는 “반창고”와 같은 것이다. 여기서 전기자동차(EV) 보급을 가속할 수 있도록 , 새로운 전지 기술이 싹트기 시작하고 있다. 전자에너지를 액체 상태의 “연료”로 바꾸고, 펌프를 사용해 모터에 공급할 수 있는 기술이다.「반고체 플로우 전지」라고 불려 미국에서 개발이 진행되고 있다. 이 액체 전자연료는원유의 산출국이 아니어도 만들어 낼 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 주유소 인프라를 활용해 공급하는 것이 가능하다. 이 연료와 전기모터를 조합하는 것으로 가솔린을 대량으로 소비하는 내연기관 방식의 엔진의 변환을 노리고 있다.
일렉트로닉스는 사회를 크게 바꾸어 왔다. 현재는 이전에 사람이 했던 작업을 컴퓨터가 전력을 사용해 처리하고 있다. 이 일렉트로닉스의 진전은 내연기관을 동력원으로 하는 많은 기계장치를「과거의 유물」로 바꾸어 왔다. 그리고 지금 일렉트로닉스는 가솔린을 대량으로 소비하는 자동차 내연기관을 옮겨놓으려 하고 있다. 그것을 가능하게 하는 것은 전자를 포함하고 있는 액체상태의 연료와 그 연료를 펌프로 가솔린과 같이“급유”해 구동할 수 있는 전기모터다.
이 신기술의 개발에 임하고 있는 야심적인 신흥기업 중 하나가, 미국 Massachusetts Institute of Technology(MIT)를 기반으로 하는 24M Technologies이다(그림 1). 미국 에너지성(DoE：Department of Energy)이 개발자금을 제공하고 있다. 만약 24M Technologies 기술이 실용화되면, 5년 안에 여러분 집 근처 주유소에도 가솔린이나 경유의 급유기 근처에 전기모터용 액체연료의 “급유기”가 줄서게 될지도 모른다.
그림 1 보틀에 들어간 자동차용 전지
용기 안에 들어있는 것이「Cambridge Crude」라고 불리는 액체전자 연료이다. 전해질 액체이며, 이것을 리액터에 보내면 동전극(사진 안쪽의 상부)과 알루미늄 전극(사진 안쪽의 하부)으로 전자를 꺼낼 수 있어 전기모터를 시작으로 한 직류 부하를 구동할 수 있다. 액체 중에 존재하는 나노스케일의 탄소입자가 집전체로서 기능하는 동과 알루미늄 전극 간을 매개함으로써, 폐회로를 완성시킨다.(출전：MIT)
이탈리아의 물리학자인 알렉산드로·볼타(Alessandro Volta)는 1792년에 전기화학전지를 발명했다. 그 이후로 현재에 이르기까지 단위 셀 당 얻을 수 있는 전압은 화학반응에 의해서 제한되어 왔다. 대부분의 전지가 사용하는 일반적인 화학재료에서는 통상 1.5 V가 한계다. 최근 리튬이온전지 배터리는 단셀로 3.6V를 얻을 수 있지만, 축전용량 당 코스트가 지극히 높다고 하는 트레이드 오프가 있다.
좀 더 역사를 되돌아 보자. “전지”라는 말 그 자체는 볼타에 의한 전기화학전지의 발명 이전부터 존재하고 있었다. 벤자민·프랭클린(Benjamin Franklin)은 1748년에 번개에 의해서 방전된 전자를 라이덴 병에붙잡는 것으로 사상최초의 인공적인 콘덴서를 만들어 냈다. 이 때“전지”가 태어났던 것이다. 프랭클린은단위 셀을 복수개, 직렬로 접속하는 것에 의해서, 셀 당 전압의 벽을 넘을 수 있다고 하는 아이디어를 생각해 냈다. 이것에 이어 볼타도 독자적으로 발명한 전기화학전지를 직렬 접속해, 그것을「볼타전퇴」라고 불렀다. 유감스럽게도 19세기 옛부터 현재에 이르기까지, 일반적인 전지 구조는 이대로 전혀 변화하고 있지 않다. 현재에도 전지의 전압을 높이려면 단위 셀의 직렬접속이라고 하는 방법 밖에 없다고 하는 것이 실정이다. 그러나 이 방법은 전지열 전체의 신뢰성이 직렬 접속한 중의 가장 약한 셀에 의해서 정해져 버린다고 하는 단점이 있다.
전지기술에 투자가 계속된다
전지에 관한 상황은 이와 같이 200년 사이, 거의 변함없다. 다만 개선을 위한 대처는 계속적으로 진행되고 있다. 미 에너지성이 설치한 에너지 연구기관「에너지첨단연구계획국(ARPA-E：Advanced Research Projects Agency-Energy)」는 2009년 이후, 수백건에 달하는 3년 계획 프로젝트에 대해서, 매년 평균 연간 총액 3억5000만 달러가 넘는 자금을 제공해 왔다. 이와 같이, 전지기술의 향상을 목표로 다양한 연구가 실시되고 있지만, 상용 베이스에서 넓은 보급을 기대할 수 있는 코스트 목표로 여겨지는 약 50달러/kWh의 에너지 밀도를 달성하기에는 아직 요원한 것이 현상이다.
ARPA-E는 2010년 회계년도 보고서 속에서 지금까지 연구에서 가장 뛰어난 성과로서 미국 미즈리주 조프린을 거점으로 하는 EaglePicher Technologies와 미국 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory, 미국 퍼시픽·노스웨스트 국립연구소)가 720만 달러의 자금을 기본으로 공동개발한 튜브 형태의 평판 고온 나트륨·베타전지(NAS 전지)를 들고 있다. 이 기술에 의해서 향후, 전지기술의 신뢰성을 높일 수 있는 바, 대규모 송전망(그리드)의 내부에서 전력을 저장하는 애플리케이션 코스트를 저감 할 수 있다고 기대한다.
또, 이에 이어 두번째로 뛰어난 연구는 MIT가 690만 달러를 소비한 스마트그리드용 전지에 관한 프로젝트다. MIT가 개발한「Electroville」라고 부르는 액체전지 기술은 프린트 기판에 대해 바이패스·콘덴서가 완수하는 역할과 같게 그리드에 두고 가까운 지역 간에서 전력사용량의 변동을 흡수하는 것이 가능하다고 한다.
또한 미국의 Arizona State University는 ARPA-E로부터 조달한 500만 달러의 자금으로 금속·공기이온 액체전지의 개발에 임하고 있다. 이 기술을 적용하면, 현재 하이브리드 자동차로 사용되고 있는 레어 메탈인 리튬을 매장량이 풍부한 다른 재료로 대체하는 것이 가능하다고 한다. 전기자동차의 주행가능 거리를 1,600km 정도까지 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 그리드에 이어 전지를 충전하는 현행 전기자동차보다 코스트를 저감 할 수 있을 가능성이 있다고 한다.
리튬이온의 개선도 멈추지 않는다
그 밖에도 ARPA-E가 자금을 제공한 곳으로서 현시점에서의 최첨단 기술인 리튬 이온 배터리의 성능 향상과 코스트 삭감을 목표로 하는 2개의 연구를 하고 있다. 캘리포니아주의 헤이워드를 거점으로 하는 Envia Systems가 400만 달러의 자금을 얻어서 진행하고 있는 프로젝트에서는 나노레벨의 미세가공을 한 실리콘 탄소 전극을 이용하는 것으로 리튬이온전지의 에너지밀도를 150Wh/kg에서 400Wh/kg 이상으로 높이는 기술의 개발에 임하고 있다. 또, 오하이오주 마이아미즈바그에 있는 Inorganic Specialists는200만 달러 규모의 프로젝트를 다루고 있어 실리콘으로 코팅한 나노 탄소섬유의 종이재료를 개발하고 있다. 리튬이온배터리의 축전용량을 4배로 높이는 것이 가능하다고 한다.
그러나, 이러한 대처 모두 24M Technologies가 개발한「Cambridge Crude」에는 이길 수 없다. 동사는 매사추세츠주의 케임브리지에 거점을 두는 신흥기업으로 ARPA-E로부터 250만 달러의 자금을 조달해, 전기자동차 전용 전지기술의 개발에 임했다. 그리고 완성시킨 것이 전자를 가솔린이나 경유와 같이 펌프로 공급할 수 있는 액상의 연료로 바꾸는 새로운 기술이다. 그 액체전자 연료의 애칭이 Cambridge Crude다. 궁극적으로는 가솔린을「과거의 유물」로 하는 것을 목표로 한다.
EV 보급의 방해를 없애라
전기자동차는 현재, 인기가 부진하다. 주행거리가 한정되는 한 재충전에 시간을 필요로 하는 것이나, 내연기관과 비교해서 전지가 장기에 걸친 신뢰성이 불충분한 일 등이 그 요인이다. Cambridge Crude는 이러한 문제를 모두 해결할 수 있도록 개발되었다. 탱크에 저장할 수 있는 합성연료이며, 가솔린 탱크의 주행 가능 거리에 필적하는 한 주유소에서 기존의 인프라 설비를 사용해 “급유”하는 것도 가능하게 된다고 한다. 전지의 내부에서 소모하는 성분을 액체연료 내에 넣는 것으로, 내연기관에 필적하는 신뢰성도 확보했다고 한다.
24M Technologies는 리튬이온전지의 개발을 다루는 신흥기업인 A123 Systems로부터 스핀오프 해 설립된 기업이다. 24M Technologies는 MIT 교수인 Yet-Ming Chiang 씨의 지도 아래 Cambridge Crude의 상용화에 의욕적으로 임해왔다(그림 2). Chiang 씨는 A123 Systems와 24M Technologies의 양 회사의 창립자이기도 하다.
그림 2 Cambridge Crude의 연구 멤버. Cambridge Crude의 연구에 임하는 멤버들. 오른쪽에서 왼쪽으로 MIT의 Yet-Ming Chiang 교수, 박사과정 Bryan Ho 씨, Craig Carter 교수, 박사과정 Mihai Duduta 씨이다.
Chiang 씨의 목적은 액체연료 기술을 적용하고, 이차전지(반복 충전 가능한 전지)를 다시 하는 것이라고 한다. 그에 의하면,「Cambridge Crude에 포함되는 화학 합성물은 전지의 양극과 음극 사이에 리튬이온을 이동시키는 것과 동시에 그러한 전자를 집전체로 전송해, 전력으로서 이용 가능한 형태로 외부 회로에 대해서 출력할 수 있도록 설계되고 있다」라고 한다.
24M Technologies는 MIT 및 미국의 Rutgers University와 공동으로 ARPA-E로부터의 자금을 활용해 액체전지 기반기술을 완성시키고 싶다고 하고 있다. 또, 동사는 최근 Cambridge Crude의 상용화를 위해서, 제1회째(시리즈 A)의 투자 라운드에 대해 벤처 캐피털인 Charles River Ventures와 North Bridge Venture Partners로부터 1000만 달러의 자금을 확보하고 있다. 이에 의해, 동사가 조달한 자금의 총액은 약 1600만 달러에 이르렀다.
