리튬이온 배터리 팩의 무게는 전기 자동차 기술의 주요 해결 과제 중 하나이다. 동적인 문제뿐 아니라 무거울수록 에너지 소비도 많기 때문이다. 전기 자동차는 지속가능성이 절대적이기 때문에 이는 역효과에 해당한다. 하지만 기존 배터리 대신 차의 무게를 전혀 증가시키지 않도록 차의 구조 요소에 통합될 수 있는 전기 저장 배터리 기술이 있다면 어떨까?
예테보리의 차머즈 기술 대학과 KTH 왕립 공과대학 과학자들은 그들이 무질량 에너지 저장이라고 부르는 답을 찾은 것 같다.
스웨덴의 아이디어는 1960년대 그랑프리 레이싱으로 거슬러 올라간다. BRM과 로터스는 처음으로 엔진과 변속기를 섀시의 구조적 요소로 사용해 전통적인 스페이스프레임의 무게를 줄였다. 무질량 에너지 저장은 현대적인 등가물이다. 리튬이온 전기화학을 자동차 제작에 사용할 수 있는 구조 소재, 탄소섬유 복합체에 통합한다.
현존하는 리튬이온 배터리들은 탄소 음극과 산화금속 양극을 가진다. 둘 다 충전과 방전 과정에서 전해질을 통해 리튬이온을 서로 이동하면서 흡수할 수 있다.
2007년 시작된 스웨덴의 연구 프로젝트는 탄소섬유를 사용하여 양극을 형성하는 방법을 제시했는데, 전해질 혼합물에 유리 섬유 직물로 분리된 철-인산 코팅 알루미늄 호일로 만든 음극이 있다. 새로운 콘셉트는 양극 전극을 위한 탄소 섬유로 호일을 대체하고 더 얇은 분리기와 결합해서 견고한 에너지 저장 소재를 만드는데, 알루미늄의 강성을 가졌지만 더 가볍다.
초기 연구는 카본파이버의 미세구조에 초점을 맞췄다. 과학자들은 작고 방향성이 떨어지는 결정체를 가진 섬유가 크고 방향성이 좋은 결정체를 가진 섬유보다 강성이 낮지만 전기화학적 성질이 좋아 양극과 음극재로 적합하다는 사실을 발견했다. 구조용 탄소섬유 시장은 높은 등급의 항공기 수준 소재에 더 초점이 맞춰져 있지만, 강성이 약간 줄어드는 것은 자동차에 사용하기에는 문제가 되지 않는다.
유망하긴 하지만, 이 신소재는 기존 배터리만큼 에너지 밀도가 좋지는 않다. 1단계 버전은 kg당 24Wh(또는 전체 배터리 팩의 경우 kg당 40Wh)의 에너지 밀도를 가지고 있는데, 이는 기아 e-니로의 64kWh 배터리가 가진 에너지 밀도의 17%에 불과하다. 그러나 이 크기의 기존 배터리를 빼면 자동차 무게에서 약 460kg이 줄어들어 주행거리와 성능에 극적이고 유리한 영향을 미칠 수 있다.
그렇다면 문제는 이 물질이 자동차 구조에 얼마나 많이 통합될 수 있는지, 그리고 중량 감소와 에너지 밀도 감소 사이의 절충이 어떻게 이루어질 것인지에 달렸다. 이 프로젝트를 진행하는 사람들은 탄소섬유 양극과 음극이 있는 2단계 버전의 에너지 밀도가 kg당 75Wh까지 올라갈 수 있기를 바라고 있다.
초기이고 비용도 만만치 않겠지만 구동 모터에 동력을 공급할 수 있는 에너지 저장은 물론 난방, 조명, 에어컨 등 보조 장비에 전력을 공급하거나 회생제동에 의해 회수된 에너지를 저장할 수 있는 재료를 자동차 구조에 통합할 가능성은 분명하다.
또한 이 소재는 진화하는 EV 아키텍처에 적합하다는 것이 입증될 수 있다. 처음부터 무질량 에너지 저장을 염두에 두고 설계할 수 있을 것이다.
맥라렌의 V 카드
맥라렌이 내놓은 신차 아투라의 플러그인 하이브리드 파워트레인은 기발한 특징을 가졌다. M630 V6 엔진의 V자 각도는 이런 종류의 엔진들에 일반적인 60도가 아닌 120도로 평평해졌다. 높이가 낮아진 만큼 차의 무게중심도 낮아졌다. 이러한 설정은 새로운 V 패키징에 상당한 공간을 마련해주어 터보차저들이 양쪽 V 사이가 아닌 V안에 부착됐다. 배기 시스템 디자인은 압력 손실을 줄여 성능을 향상시킨다.
