 전기차 충전인프라 극대화 ‘기술 열전’
자동충전부터 용량향상, 고장진단까지
전 세계적으로 기후변화 및 에너지고갈에 대한 위기의식이 높아지며 전기자동차에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 국제에너지기구(IEA)는 2017년까지 전 세계적으로 전기자동차 보급대수는 300만 대를 돌파했다고 밝혔으며, 일각에선 2050년에 3천만 대를 기록할 것이라는 예측도 나오고 있다. 이런 가운데, 국내 연구진들이 전기자동차의 성장세를 지속하기 위해선 충전기 문제를 해결해야 함을 인식하고 이에 대한 연구에 박차를 가하고 있다. 이번 호에서는 전기자동차의 충전기를 효과적으로 활용하고 그 성능을 극대화하기 위한 연구진들의 노력과 신기술에 대해 다루고자 한다.
정리 김경한 기자│자료 전력연구원, GIST, 한전KDN
지난해 10월에는 전기자동차 관련 대기업들과 충전기 제조사들이 ‘전기차 DC 콤보 상호운용성 테스티벌(Test+Festival)’을 개최했다. 이 자리에서 참석자들은 전기차 급속 충전 시 발생하는 기술적 문제를 점검하고, 완성차 및 충전기 제조사가 한 자리에 모여 상호호환 교차검증을 시험하는 자리를 마련했다. 전력연구원과 현대자동차는 지난해 말, 전기차 충전카드가 필요 없는 자동인증 충전기의 개발을 발표하기도 했다.
이런 업계의 노력에 부응하듯, 지난 1월 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부의 엄광섭 교수팀은 기존에 비해 주행거리를 3배나 늘린 리튬이온 배터리의 개발을 발표해 화제가 됐다. 또한 한전KDN은 점검시스템의 필요성을 인식하고, 전기자동차 충전기의 고장 및 오작동을 사전에 점검할 수 있는 솔루션을 선보였다.
연결만 하면 인증과 충전을 동시에
편의성 제공 및 해외진출 기술 확보
한국전력공사 전력연구원과 현대자동차는 지난해 말 전기자동차와 충전기를 연결만 하면 자동으로 충전할 수 있는 ‘전기자동차 고객 자동인증 시스템’ 개발을 진행 중이라고 밝혔다.
 [그림 1] 전기자동차 고객 자동인증 시스템 순서도
이 시스템은 전기자동차에 미리 등록된 정보를 이용해 고객 인증, 충전, 과금이 한 번에 자동으로 이뤄지는 단순화된 충전시스템이다. 현재 충전을 위해 전기자동차 운전자가 회원카드로 사용자 인증 후 신용카드로 결제하는 두 번의 번거로운 과정을 생략하고, 충전기만 연결하면 자동으로 거래가 이뤄지기 때문에 고객 편의성이 향상될 것으로 보인다. 또한 인증 및 거래 과정은 전용선을 이용한 통신, 암호화, 전자서명 등을 활용함으로써 전기자동차와 고객, 거래 정보를 보호한다.
전력연구원은 2020년까지 ‘전기자동차 고객 자동인증 시스템’의 개발과 실증을 완료하고 한전이 운영 중인 전기자동차 충전 인프라에 적용할 예정이다. 아울러, 전기자동차와 전력망 사이에 충전 및 전력 거래를 위한 국제 통신 규격(IEC15118)을 적용해 향후 전 세계적으로 확대 중인 전기 자동차 충전기 시장 진출에 유리한 고지를 선점할 것으로 기대된다.
전기차 주행거리 3배 늘리는 기술
하루 1회 충전 시 7년간 성능감소 無
GIST 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 건국대 조한익 교수, 美 조지아공대 등 공동 연구팀은 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량이 최대 3배 향상된 새로운 리튬이온 배터리를 개발하는 데 성공했다.
현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로는 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용 중이다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮으며 현재 기술로는 이론 용량에 거의 도달해, 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면해 있다. 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만, 이럴 경우 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소하는 문제가 발생한다. 따라서 무게 및 부피당 전기 저장 용량이 큰 새로운 전극재료를 이용해 신규 배터리를 개발할 필요가 있는 상황이다.
이에 엄광섭 교수팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로서 고용량 ‘실리콘 음극’과 ‘황-금속 화합물 양극’에 주목하고, 황-금속 화합물 양극에 전기화학적 처리를 통해 ‘황-금속 화합물 양극’-‘리튬/실리콘 음극’으로 구성된 신규 고용량·고안정성 배터리를 개발했다.
또한 이들은 간단한 공정을 통해 제작 가능한 마이크론 크기의 물질을 이용해 나노 크기의 물질로 전환한 후, 배터리의 용량 및 안정성을 향상시키는 결과를 얻었다. 핵심적인 방법은 전극 활성 물질을 셀 제작 후에 실시간으로 나노 크기로 변환할 수 있는 ‘전기화학적 분쇄법(in situ electrochemical nano pulverization)’이다.
연구팀의 검증 결과, 신규 배터리가 무게당 저장 용량이 약 1,150mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(150~200mAh/g 수준)보다 약 6배 높으며, 사용 전압(1.5~2.0V)을 고려한 에너지밀도에서 약 3배 이상 증가했다. 충·방전을 2,500회 실시할 동안에는 성능이 초기의 90% 이상 유지됨도 확인했다.
 [그림 2] 황-금속 화합물 양극의 실시간 전기화학적 처리를 통한 성능 및 안정성 향상 과정. 그래프의 빨간색/검은색 데이터는 충?방전 1회당 기록된 에너지저장용량(mAh/g)을 의미하며, 충·방전 횟수에 따른 물질의 변화를 전자현미경으로 관찰하였다.
엄광섭 교수는 “이번 연구는 고용량·초저가인 황-금속 화합물 소재를 이용한 새로운 리튬이차전지의 성능 및 안정성을 상용에 가까운 수준으로 향상시켰다는 데 가장 큰 의의가 있다”며, “향후 추가적인 연구개발을 통해 전기자동차(EV)와 에너지저장 시스템(ESS)으로 상용화함으로써 이차전지 시장의 급성장에 기여할 것”이라며 기대감을 드러냈다.
GIST 신소재공학부 엄광섭 교수와 조한익 교수(건국대학교)가 공동으로 주도하고 장의진 박사과정생(GIST 신소재공학부)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다. 연구 성과는 ACS(American Chemical Society)의 저명 나노과학 저널인 ACS Nano(2017년 인용지수: 13.7)에 12월 24일자로 온라인 게재됐다.
충전기 고장진단 원스탑 솔루션 개발
원인 분석 및 조치방법 실시간 전송
2030년 우리나라의 전기자동차 누적대수는 100만 대가 예상되고 있다. 그러나 충전 인프라 보급이 여전히 미비해 전기자동차 확산 계획에 적신호가 켜진 상태다. 이에 한전은 충전기 보급사업에 힘써왔지만, 충전기 보급 확대 노력과 별개로 충전기의 고장 및 오작동 사례가 계속 보고되고 있다. 이런 문제들은 전기자동차 충전인프라의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인이 된다고 알려져 있다.
한전KDN 관계자는 “전기자동차 충전기도 사람처럼 적절한 건강검진을 받아야 한다”고 강조했다. 즉, 검진을 통해 충전기의 고장과 오작동을 미연에 방지하고, 전체 충전인프라의 품질을 높일 수 있다는 것이다.
 [그림 3] ‘전기차 충전인프라 현장진단도구’진행과정
한전KDN은 충전인프라의 점검기술 향상을 위해 ‘전기차 충전인프라 현장진단도구’를 개발했다. 이 진단도구는 충전기에 탑재된 통신기능(프로토콜 데이터 정합성)을 검증하는 장치다. 솔루션의 시연 모습은 마치 전기자동차 충전기가 의료진 앞에서 MRI나 내시경 검사를 받는 모습을 연상케 한다. 현장 작업자가 점검을 시작한 후 그 결과가 중앙서버로 전송될 때까지, 모든 작업은 하나의 솔루션에서 원스톱으로 처리된다. 점검 중 충전기에 문제가 있다면 솔루션은 원인을 분석하고 조치방법을 실시간으로 작업자에게 보여준다.
한전KDN은 충전인프라 ‘닥터’ 역할을 수행하기 위해 현장 실증이 완료되면 충전인프라 점검 사업에 ‘전기차 충전인프라 현장진단도구’ 솔루션을 사용할 예정이다.
한전KDN 관계자는 “이 현장진단도구 솔루션은 정부가 추진하는 전기자동차 확산 정책에 추진력을 실어줄 것”이라며, “전기자동차 제조업 활성화에 따라 고용을 증대하고 미세먼지 저감에 따라 맑은 공기를 국민에게 제공하는 기회가 될 것”이라고 말했다.
<Energy News>
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