많은 장점을 가지고 있는 전기차! 자동차 제조사들이 엔진 모델 라인을 단종하거나 축소하고 있지만 가끔씩 보도되는 화재 사고 때문에 자동차를 구입하려는 사람들의 고민도 커지고 있습니다.
이 번 글에서는 과연 전기차를 지금 구입하는 것이 올바른 선택인가에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
전기차의 특징
먼저 잘 알려진 전기차의 특징을 간단히 알아보고 가겠습니다. 엔진 자동차와 차별화되는 전기차의 가장 큰 차이점은
바로 동력원과 동력전달 시스템이 배터리와 전기 모터로 간소화된다는 것입니다.
이에 따라 차량의 공간을 효율적으로 넓게 활용할 수 있으며 소음이 감소하고 승차감이 향상됩니다. 움직이는 장치들이 줄어들어 차량 정비가 감소하고 무게 중심이 차량 하부에 위치하여 주행 안정성도 향상됩니다.
모델에 따라 전륜에 1개 후륜에 2개까지 장착되는 전기 모터는 일정하면서도 강력한 토크를 발휘합니다. 프리미엄 모델은 600마력과 100kg-m의 괴물 같은 토크로 3톤에 가까운 무게에도 4초 전후의 제로백 성능을 보이기도 합니다.
그동안 너무 짧았던 1회 충전 후 주행 가능 거리도 400 km 수준까지 향상되었습니다. 그러나 주행 가능 거리는 기온이 낮은 겨울철에 배터리 전기 화학반응이 약화되면서 크게 감소하는데 특히 히터 사용 시 급격히 감소합니다.
히터로 배터리에 열을 공급하는 히팅 재킷 기술도 결국 배터리 전력을 사용하는 것이므로 한계가 있습니다.
배터리 충전 소요 시간은 아직도 긴 편으로 80% DC 급속충전의 경우에도 30분 전후 소요되며 AC 완속충전의 경우에는 10시간 이상 걸립니다.
흔히 집밥으로 불리는 가정용 충전 시스템은 아직 고가이며 공용 충전소 인프라는 아직 충분히 구축되어 있지 않아 불편합니다.
또한 전기차용 정비소나 정비 인력이 부족하고 부품도 제조사의 정품만 쓸 수 있어 상대적으로 고가인 서비스를 받아야만 합니다.
전기차 배터리
하지만 가장 근본적인 문제는 바로 배터리에 있습니다. 전기차의 배터리는 대부분 고용량으로 야외 레저 활동에도 활용할 수 있어 매우 편리합니다.
여기서 전기차의 가격과 전체 무게에서 배터리가 차지하는 비중이 모두 20%에서 30% 사이라는 사실은 많은 것을 암시합니다.
아래 테이블에서 볼 수 있듯이 다양한 배터리가 상용화되었고 또 개발 중이지만 에너지 밀도가 높아 상대적으로 가볍고 상용화된 기술과 공급망이 확립되어 있는 배터리는 리튬이온 밖에 없습니다.
| 배터리 유형 | 에너지 밀도 (Wh/kg) |
무게 비교 (리튬이온 배터리 100) |
비고 |
| 리튬이온 (Li-ion) | 150-250 | 100 | 대표적인 전기차 배터리 (확립된 기술/공급망) |
| 납산 (Lead-Acid) | 30-50 | 300-350 | 매우 낮은 에너지 밀도 |
| 니켈수소 (NiMH) | 60-120 | 150-200 | 상대적으로 안전 |
| 리튬인산철 (LiFePO4, LFP) | 90-160 | 120-130 | 상대적으로 안전 |
| 솔리드 스테이트 (Solid-State) | 200-300 (잠재적) | 70-80 (잠재적) | 효율, 안전성 향상 상용화 연구 중 |
| 리튬-황 (Lithium-Sulfur) | 400-500 (잠재적) | 70-80 (잠재적) | |
| 금속공기 (Metal-Air) | 이론적으로 매우 높음 | 10-20 (잠재) | |
| 나트륨 이온 (Sodium-Ion) | 90-150 | 120~150 (추정) |
리튬이온 배터리
대부분의 전기차에 리튬이온 배터리가 사용되는 이유지만 심각성은 안정성에 있습니다. 리튬이온 배터리의 양극은 주로 리튬코발트 산화물로 만들어지며 음극은 흑연 소재입니다.
분리막은 양극과 음극을 전기적으로 분리하는 절연체로 리튬이온만 통과할 수 있습니다. 전해액은 리튬이온이 잘 이동하도록 도와주는 액체 유기 화합물입니다.
리튬이온 배터리를 충전하면 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동합니다. 배터리를 사용하면 즉 방전시키면 음극에 있던 리튬이온이 양극으로 다시 이동하면서 전류가 발생합니다.
심각한 문제는 충격이나 과충전, 불량 등으로 인해 분리막이 손상되는 경우에 발생합니다. 양극과 음극 사이에 직접 전류가 흐르는데 저항이 0에 가까우므로 흐르는 전류의 크기는 무한히 커 집니다.
그런데 주울열이 저항에 비례하고 전류의 제곱에 비례하므로 엄청난 열이 발생하게 됩니다. 이 열에 의해 전해액에서 가연성 가스가 나오고 양극 단자에서 산소가 발생되어 불이 나게 됩니다.
이 불이 다시 배터리의 온도를 높이고 연속적인 반응이 가속화되면서 배터리 전체로 확대되는데 이것이 바로 뉴스에도 간혹 보도되는 열폭주입니다.
이 화재는 자체적으로 열에너지와 가연성 가스 그리고 산소가 공급되기 때문에 산소를 차단하고 발화체의 온도를 낮추어 불을 끄는 방식인 물이나 소화기로는 절대로 진화할 수 없는 것입니다.
그렇다면 왜 이렇게 위험한 단자와 전해액이 필요한 리튬이온 배터리를 사용하는 것일까요? 그것은 높은 이온 전도성, 전기화학적 안정성에 의한 고성능, 고효율 그리고 경제성 때문에 불가피하게 사용하고 있는 것입니다.
현재의 기술로는 고성능이고 고효율이면서 경제적인, 그러면서도 안전한 배터리는 만들 수 없으며 근본적인 개선이 반영된, 지금과 전혀 다른 획기적인 배터리 제조기술이 필요한 것입니다.
전기차의 또 다른 기술적 문제는 바로 전자기파입니다. 전기차에는 수 천 개에 이르는 크고 작은 전기 전자 부품들이 들어갑니다. 각각의 전기 전자 부품에서 발생된 전자기파는 다른 부품이나 회로에 오작동을 일으킵니다.
특히 고출력의 전기 모터에서 발생되는 전자기파는 더욱 강력하여 다양한 간섭과 에러를 일으킬 수 있습니다. 간섭 방지 회로나 필터, 차폐 장치를 사용해서 다소 줄일 수는 있지만 전자기파 자체는 완전 차단이 물리적으로 불가능합니다.
특히 차량을 제어하는 컴퓨터 시스템에 문제가 생기면 차량 운영 소프트웨어에 버그가 없더라도 대형 사고로 이어질 수 있는 것입니다.
전기차는 고출력 전기 모터의 회전축이 바로 차축이 되는데 이와 같이 물리적 연결 장치가 대부분 생략됩니다. 따라서 전기차는 더욱 빠르고 즉각적으로 동작하므로 에러가 발생할 경우에 적절한 대처가 불가능합니다.
결론
140여 년 역사의 엔진 자동차도 수많은 차량에서 발생했던 수많은 문제점들을 해결하면서 발전해 왔지만 아직도 급발진과 같은 미해결 문제들이 존재합니다.
그러므로 본격적인 개발과 상용화 역사가 40년이 채 안 되는 전기차는
- 안전하고 고성능이면서 고효율인 배터리 개발과 상용화 문제
- 충전 인프라확대와 충전시간 단축
- 차량 정비 인프라구축과 부품 가격 인하
- 전자기파 영향과 회로간섭 최소화
이외에 수많은 문제들이 전기차 출고가 지금보다 더 늘어나면서 급격하게 증가할 것입니다. 이러한 문제들을 하나씩 해결하고 엔진 자동차의 안정화 수준까지 도달하려면 상당한 시간이 필요할 것으로 예상됩니다.
