탄소섬유 구조 배터리는 향후 전기차의 주행거리를 70% 이상 늘릴 것으로 기대된다.
자동차, 비행기, 선박, 컴퓨터를 배터리 역할과 하중 지지 구조 역할을 모두 수행하는 소재로 제작하면 무게와 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 지난 10일자 최신호에 게재된 논문에 따르면첨단소재스웨덴 찰머스 공과대학 연구팀이 다기능 탄소섬유 구조 배터리를 개발해 '대량 에너지 저장' 분야에 진전을 이뤘다. 이 배터리는 1회 충전으로 노트북 무게를 절반으로 줄이고, 스마트폰을 신용카드만큼 얇게 만들며, 전기차 주행거리를 70% 늘릴 수 있다.
Chalmers University of Technology 연구원 Rika Chaudhuri는 자신들이 개발한 구조용 배터리가 탄소 섬유 복합 재료로 만들어졌으며 알루미늄과 비슷한 강성과 상업용 애플리케이션에 충분한 에너지 밀도를 가지고 있다고 밝혔습니다. 구조용 배터리는 에너지를 저장하고 하중을 견딜 수 있는 소재입니다. 배터리 소재를 실제 제품 구성에 통합한다는 것은 전기차, 드론, 휴대용 도구, 노트북, 스마트폰 등의 경량화를 달성할 수 있다는 것을 의미합니다.
연구팀은 2018년에 높은 강성과 경도를 지닌 탄소섬유가 전기에너지를 화학적으로 저장할 수 있고 리튬이온전지의 전극 역할을 할 수 있다는 사실을 처음으로 입증했다. 이 연구는 광범위한 주목을 받았고,물리학의 세계그해의 10대 혁신 중 하나로 선정되었습니다.
이후 연구팀은 배터리의 강성과 에너지 밀도를 높이는 개념을 더욱 발전시켰다. 2021년에는 에너지 밀도를 킬로그램당 24와트시(Wh/kg)로 높였습니다. 이는 동급 리튬 이온 배터리 용량의 약 20%입니다. 이제 에너지 밀도를 30Wh/kg까지 높였습니다. 이는 현재 일반 배터리에 비해 여전히 낮지만 그 영향은 크게 다릅니다. 배터리를 구조의 일부로 만들고 경량 소재로 만들면 차량 전체 중량을 크게 줄일 수 있습니다. 결과적으로 전기 자동차에 필요한 에너지는 크게 줄어들 것입니다.
연구진은 전기차에 대한 계산을 진행한 결과, 새로운 구조적 배터리를 장착하면 주행거리가 현재 대비 최대 70% 증가할 수 있는 것으로 나타났다. 구조용 배터리 유닛의 강성도 크게 향상되어 기가파스칼(GPa) 단위로 측정된 탄성 계수가 25에서 70으로 증가했습니다. 이는 소재가 알루미늄과 같은 하중을 견딜 수 있지만 무게는 더 가볍다는 것을 의미합니다.
연구원들은 다기능 관점에서 새로운 배터리의 성능이 이전 세대보다 2배 높아 현재까지 세계 최고의 배터리라고 밝혔습니다. 그러나 배터리 셀이 소규모 실험실 생산에서 대규모 제조로 전환되고 기술 제품이나 차량에 적용되기 전에 여전히 상당한 양의 엔지니어링 작업이 수행되어야 합니다.
