고에너지 밀도, 고안전성, 저비용 이차전지 개발

교토대학 대학원 인간환경학연구과와 고휘도광과학연구센터는 공동으로 기존 리튬이온전지에 교체할 수 있는 고에너지 밀도 마그네슘 금속 이차전지의 개발에 성공했다. 개발한 이차전지는 매장량이 많은 마그네슘, 철, 실리콘이 주요 구성 원소로 이뤄져 저비용화가 기대된다. 또한 융점이 높은 마그네슘 금속으로 교체됨으로써 전지의 열적 안전성이 개선되어 종래 리튬이온전지보다 비약적으로 안정성이 향상됐다. 

연구에서는 마그네슘 이차전지 정극재료의 설계지침을 전면 재검토하는 한편, Si-O결합에 의한 결정구조가 안정화된 폴리 아닐린 화합물을 정극재료로 사용하는 방법을 시도했다. 전기화학처리에 의한 정밀 결정구조 제어를 수행함으로써 마그네슘 이온의 확산을 확인하고, 사이클 특성이 높은 정극재료를 제작한 것이다. 

충방전곡선 실험자료를 살펴보면, 기존 리튬이온전지 정극의 용량밀도는 160mAh/g정도인데 비해, MgFeSiO4 정극재료에서는 2배로 향상되었다. 높은 사이클 특성을 가지는 것도 특징이다.

이번에 실증한 폴리아닐린 화합물 정극과 그라임계 전해질을 조합한 마그네슘 이차전지의 각 구성재료는 상호간 최적화를 도모함으로써 차세대 이차전지의 개발이 가속되는 동시에 실용화를 앞당길 것으로 기대를 모으고 있다. 연구에서는 고휘도 방사광 X선을 이용함으로써 어떠한 메커니즘에서 높은 성능을 발현하고 있는지에 대하여 규명했으며, 이 방법은 전지재료의 개발에서 상당히 의미 있는 연구로 남을 전망이다. 

향후 반응 메커니즘 해석, 구조제어를 기초적인 원리에 기초하여 지속적 연구를 진행한다면 세계에서 선두적인 새로운 고에너지밀도, 고안전성, 저비용 이차전지의 실용화를 실현할 수 있을 것으로 기대된다.

연결방법에 따라 저항하는 힘도 변한다

실제의 회로에서는 여러 개의 저항이 복잡하게 연결되어 있는 경우가 대부분이다. 이렇게 여러 개의 저항을 연결하는 데는 직렬연결(直列連結)과 병렬연결(竝列連結)이란 두 가지 연결 방법이 있다. 이 경우 여러 개의 저항을 연결했지만 실제로는 하나의 저항과 같은 역할을 하기 때문에 이 하나의 저항으로 환산한 값을 합성저항(合成抵抗)이라고 한다.

2개의 저항을 직렬연결하면, 저항을 2개 거쳐야 하는 결과가 되어 저항이 1개일 때보다도 전류가 통하기 어렵게 된다. 따라서 합성저항의 값은 저항이 하나일 때보다도 늘어나 2개의 저항을 합한 것과 같다.

반면 2개의 저항을 병렬연결하면 하나의 전류가 양쪽으로 나뉘어 통과하는 결과가 되므로 전류의 흐름도 그만큼 쉬워진다. 그 때문에 합성저항의 값도 저항이 1개일 때보다 감소하여 두 저항의 역수의 합이 합성저항의 역수가 된다. 

한 바퀴 돌아오는 전기의 길

전기도 흐르는 길이 있다. 

전기를 내보내는 소스 즉 전원(電源)에서 흐르기 시작해 도중에서 작업을 하고 다시 출발점인 전원으로 되돌아오는 것이다. 이렇게 전기가 한 바퀴 돌아서 다시 출발점으로 되돌아오는 순환회선을 루프(回路)라고 한다.

도로에 포장된 넓은 길, 좁고 울퉁불퉁한 골목길 등 다양하듯이, 전기에도 이와 비슷한 현상이 있는데 이것을 바로 저항(抵抗)이라고 한다.

전원에서 나온 전기는 전구나 라디오, 세탁기, 냉장고 등 전기기구를 만나 이들을 작동하게 하는 작업을 하며, 이때 전기를 사용해 작동하는 물체를 부하(負荷)라고 한다. 이렇게 전원에서 나와 부하를 거쳐 다시 전원으로 돌아가는 루프를 전기회로라고 한다. 전원이란 구체적으로 전지나 발전기를 의미한다. 

우리는 흔히 ‘전기를 쓴다’는 식으로 표현한다. 그 때문에 전원에서 나온 전기가 전기기구를 작동시키게 되면 점점 전류가 적어져서 전원으로 돌아간다고 생각하는 사람도 있을 것이다. 그러나 전원에서 나간 전류의 크기와 전원으로 돌아오는 크기는 항상 같다. 즉 회로의 도중에서 만들어지거나 소멸하지 않는다는 것이 전류의 중요한 성질이다.

전기회로를 구성하는 요소로서 이미 전지, 저항 등이 나왔지만, 실제의 회로에는 이밖에도 스위치, 콘덴서, 코일 등  여러 가지가 있으며, 이들을 능률적으로 나타내기 위해 회로도를 그린다. 이 회로도를 결선도(結線圖)라고도 한다.

오옴의 법칙

전류, 전압, 전기저항을 하나의 관계로 정립시킨 오옴의 법칙을 전지에 꼬마 전구를 연결했을 때로 가정해 설명하면 다음과 같다. 전지 1개에 전구 2개를 연결할 경우가 A, 같은 전구를 1개만 연결한 경우가 B, 그리고 전지 2개에 전구 1개를 연결한 경우를 C라고 해보자. 전기의 밝기는 당연히 A보다도 B, B보다도 C의 순서로 밝아진다. 

이러한 관계도 물의 흐름에 비유하면 이해가 빠를 것이다. 즉, 물탱크에 연결한 파이프를 타고 흐르는 물은 파이프에 걸리는 수압이 높을수록 양이 많아진다는 점이다. 만약 파이프가 가늘어서 물의 흐름에 대한 저항이 클수록 물의 양은 적어지게 되는 것이다.

도체를 흐르는 전류의 크기는 도체의 양끝에 가해진 전압에 비례하고, 그 도체의 저항에 반비례한다는 것이 바로 오옴의 법칙이다. 

1827년 독일에서 오옴(Ohm)이란 사람이 실험에 의해서 발견한 것으로, 이 법칙은 전기의 기본법칙이며 아주 중요한 법칙으로 평가되고 있다. 

물의 흐름과 비슷한 전기의 흐름

전기의 흐름은 물의 흐름과 매우 비슷하다. 그래서 흔히 물의 흐름에 비유해서 설명하는 경우가 많다.

예를 들어 두 개의 물탱크 A와 B를 연결해서 A에 들어 있는 물을 파이프를 통해 B로 흘려 넣는다고 가정했을 때, 파이프의 콕을 열면 수위가 높은 탱크 A로부터 수위가 낮은 탱크 B로 물이 흐르지만, 양쪽 탱크의 수위가 같아지면 더 이상 흐르지 않게 된다. 

이처럼 물을 흐르게 하려는 힘은 A의 수위와 B의 수위차 즉 ‘수압’ 때문이다. 수압이 높을수록 흐르는 물은 힘이 세고 양도 많아진다. 

전기의 경우도 이와 마찬가지라고 할 수 있다. (+)전기를 가진 금속구 A와 (-)전기를 가진 금속구 B를 도선으로 연결하면 B의 전자가 A로 이동한다. 그러나 양쪽의 전자의 양이 같아지면 전자의 이동은 중지된다. 

전기의 양을 전하(電荷)라고 부르는데, 단위는 쿨롱(기호로 C)으로 표시한다. 1쿨롱은 624억의 1억 배 개의 전자의 전기량에 상당한다.

전위의 단위로는 볼트(기호는 V)가 사용된다. 전위의 기준은 대지의 전위를 0볼트라고 정하고 있다. 수위 간의 차이를 수위차라 하듯이, 전위 간의 차이를 전위차, 또는 전압이라고 한다. 따라서 전위차 및 저압의 단위도 볼트이다.

물이 흐르는 양은 매초 몇 m3로 표시하지만 전류의 크기는 매초 몇 쿨롱의 전하가 이동했는가로 표시한다. 매초 1쿨롱의 전하가 이동할 때 이것을 1암페어(기호는 A)의 전류라고 한다.

물탱크에 있어서는 파이프의 조건도 수량(水量)에 관계된다. 파이프가 가늘면 물이 흐르기 어렵고 당연히 수량도 적어진다. 또 파이프가 길거나 파이프 안쪽이 평탄하지 않고 굴곡이 심할 경우 물의 흐름은 저항을 받아 쉽게 흐를 수 없을 것이다. 

전기의 경우도 이와 비슷해서 도선의 굵기, 길이, 재질에 따라서 흐르는 전기의 양이 변한다. 이렇게 전기가 흐르기 어렵게 되는 정도를 전기저항, 또는 단순히 저항(단위는 오옴, 기호는 Ω)이라고 한다.

실용 가능한 300m급 케이블 수준 실험

일본, 철도용 초전도 케이블 진화

일본에서 주행 중인 전철에 대해서 전기 저항 제로 상태로 전력을 공급하는 ‘초전도 케이블’의 실용화가 순조롭게 진행되고 있다. JR그룹의 철도 종합 기술 연구소(이하 RTRI, Railway Technical Research Institute)는 1년 전 31m의 길이로 세계 최초의 주행 시험을 성공시켜 연이어 실제 철도에서 사용할 수 있는 300m 급 초전도 케이블을 개발하여 주행 시험을 개시했다. 

RTRI는 7년 전 2007년도부터 초전도 케이블의 개발에 착수해 실용화를 진행시켜 왔다. 2013년 7월 연구소 부지 내에 있는 시험선에 31m의 초전도 케이블을 부설해 2량의 전철을 운행하는 시험에 세계에서 처음으로 성공했고 새롭게 약 10배의 길이가 있는 300m급 초전도 케이블을 개발, 같은 시험선을 사용해 7월부터 주행 시험을 개시했다. 

RTRI가 개발한 초전도 케이블은 초전도 궤전 케이블이라고 불리며 실용 레벨의 길이가 된 것을 나타내 보이고 있다. 궤전은 주행 중인 전철에 안정적으로 전력을 공급하기 위한 구조로 2개의 변전 설비를 전선으로 연결해 직류의 전력을 공급한다. 표준적인 노선에서는 250m 정도의 간격으로 분기소를 설치해 접속하는 것이 많아 초전도 케이블을 실용화하기 위해서는 300m급의 길이가 필요하게 된다. 

도쿄 도 구니타치시에 있는 연구소 부지 내에는 거리가 600m의 선로를 부설한 시험선이 있다. 이 시험선에 따라서 300m급 초전도 궤전 케이블을 설치했다. 케이블 안을 마이너스 196℃가 되는 액체 질소를 냉매로서 순환시키는 것에 의해서 전기 저항이 제로가 되는 초전도 상태를 만들었다. 

케이블 안을 흐르는 전력은 철도용 1,500볼트의 직류로 1,000암페어의 전류 용량이 된다. 이정도 용량의 전력을 1개의 초전도 궤전 케이블로 300m에 걸쳐 송전한다. 그리고 케이블의 단말로부터 전철 상부를 달리는 가선(架線)을 경유해 전철의 지붕에 있는 팬터그래프(Pantograph)로부터 전력을 취입하는 구조라고 한다. 

현재 동선을 사용한 송전 방법에서는 전기 저항에 의해 전력의 5%가량이 손실되는 것 외에 전압 저하나 전선 부식 등의 문제점도 있다. 그러나 초전도 궤전 케이블을 이용할 수 있게 되면 전력 사용량의 삭감에 이어 변전설비의 집약도 가능하게 되어 절전과 비용 삭감을 도모할 수 있다. 

RTRI는 2013년 7월, 길이 31m의 초전도 케이블을 사용한 주행 시험에 세계에서 처음으로 성공했다고 한다. 주행 시험을 통해 케이블 구조의 최적화를 진행시키면서 실용 레벨의 300m급 개발을 진행시켜 왔다. 향후에는 300m급 주행 시험을 반복하면서 2020년에는 실제 노선에 도입하기 위한 개량을 계속할 예정이다.

고압송전 장비 공장에 오일 밀봉 진공 펌프 대체

에드워드, 스웨덴 전력발전 정비 공장에 진공펌프 공급

스웨덴의 한 주요 전력발전 장비 공장은 기존의 오일 밀봉 회전식 베인 진공 펌프를 교체하기로 했다. 안정성과 높은 유지보수 비용이 문제로 대두됐기 때문이었다. 공장 측은 기존 펌프를 성능이 우수하면서도 안정적이고 유지보수 필요성이 적은 에드워드(Edwards)의 GXS 건식 스크류 산업용 진공 펌프로 대체했으며 놀랄 만한 효과를 얻고 있다. 

전력발전 및 자동화 기술의 선두 주자인 이 스웨덴의 공장은 다양한 고압 송전 장비를 개발, 생산하는 데 주력하고 있다. 이들은 고압 장비 생산에 다수의 진공 공정을 사용하고 있으며 여기에는 제품의 건조와 필링, 육불화황 가스 재순환에 주로 사용될 진공 펌프가 필요했다. 

이 공장은 스웨덴 내 에드워드 유통을 맡고 있는 어드밴스드 배큠 디스트리뷰션(Advanced Vacuum Distribution)과 더불어 노후된 회전식 베인 진공 펌프를 에드워드의 GXS 건식 스크류 진공 펌프로 교체했다. 지금까지 여러 대의 펌프가 교체된 가운데 향후 더 많은 장비 교체가 이뤄질 것으로 기대된다. 

GXS 진공 펌프는 혹독한 산업 환경에서도 뛰어난 내구성과 안정성을 발휘한다. 공정 중 갑작스러운 작동 지연이 발생하지 않으며 연장된 서비스 기간을 제공하는 GXS는 기존의 습식 오일 밀봉 펌프에 비해 서비스 및 유지 비용을 지속적으로 절감해준다. GXS는 더욱 빠르고 효과적으로 절대진공 상태를 제공하며 이로써 생산성을 높이고 생산 품질도 향상시켜준다. 

프랭크 메리유 에드워드 시장 부문 매니저는 “스웨덴 고객사가 안정성과 에너지 효율이 우수하고 뛰어난 성능을 발휘하면서도 유지 보수 필요성이 적고 서비스 간격이 긴 GXS의 이점을 누리도록 도울 수 있어 만족스러웠다”고 말하며 “GSX 설계는 에드워드의 오랜 경험과 혹독한 공정에서 건식 진공 펌프를 성공적으로 구동해 온 노하우에 기반하고 있다”고 설명했다. 

EU, CoSSMic 프로젝트로 다가올 전력시대 대비

주거 지역 전기소비 모니터링을 위한 기술

점차 많은 가정들이 주간 운행을 위해 밤새도록 충전을 해야 하는 전기자동차를 보유하게 되면서 증가하게 될 전력 소모 관리에 대한 질문을 던지고 있고, 전기를 공급하고 있는 회사들에게는 해결해야 될 숙제가 됐다. 

뿐만 아니라 가정 주택 또는 건물의 지붕에 태양전지판(Solar Panel) 시스템을 설치한 거주자 또는 건물 보유자들에게 있어 태양광이 아스팔트 도로를 녹일 정도로 많은 에너지를 공급하는 시간대에 집에 아무도 없어 태양에너지를 활용할 수 없다는 점과 이를 해결하기 위한 배터리 시스템 설치에 많은 비용이 든다는 점도 고민거리 중 하나이다.

지난 2013년부터 시작된 유럽연합(EU) CoSSMic 프로젝트는 가정의 전기 소비를 자동적으로 조절할 수 있는 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 여기에는 이웃을 포함한 거주 지역의 최대 부하를 안정화하는 것도 포함된다. 따라서 이러한 시스템을 도입하면 에너지 저장 시스템의 필요성이 적어지게 된다. 

노르웨이 과학산업기술연구재단(SINTEF)은 이번 프로젝트를 담당하고 있으며, 새로운 ICT(Information & Communication Technology) 시스템을 개발하는 중이다. 

SINTEF의 Svein Olav Hallsteinsen은 “전기 소모는 자동적으로 조절될 수 있다. 이는 거주자 지역이나 건물주가 만들어내는 규칙을 기반으로 한다”고 설명했다. 그는 “예를 들어 이 시스템은 모든 전기자동차를 동시에 충전하지 못하나 차례대로 충전은 가능하다는 것을 확인해 준다. 전기차들은 운전자가 사용을 원할 때 완전하게 충전되어 있을 것이며 온수 보일러, 냉장고, 식기세척기 및 세탁기 등과 같은 냉방 및 난방 시스템에도 같은 방식으로 적용 가능하다”고 설명했다. 

이 프로젝트의 주목적 중 하나는 거주 지역의 최대 부하를 안정화하는 일이다. 이를 위해 필요한 대부분의 기술은 이미 사용 가능한 것들이다. 예를 들어 태양전지판과 상호 연결되어 있는 냉장고 및 보일러 제품은 이미 시장에 출시되어 있다. 태양전지판은 냉장고의 저온에서 발생하는 과잉 에너지나 보일러의 고온으로 인한 과잉 에너지를 저장할 수 있다. 그리고 옷이나 식기들을 차례로 세탁할 수 있다. 

정전 시에도 6kW의 태양광 사용 가능

일본, 단독주택용 전력변화장치 개발

일본 M사가 단독주택용 전력변화장치를 개발했다. 상용전력과 태양광발전시스템, 전기자동차에 내장된 배터리를 동시에 이용 가능한 장치이다. 전기자동차를 가정용 대용량 축전지와 거의 동일하게 사용할 수 있고, 정전 시에 태양광발전을 전기자동차의 충전에 사용하며, 태양광발전과 전기자동차의 전력을 동시에 가정 내에서 사용할 수 있다. 

지금까지 가정용 전력변환장치에는 몇 가지 문제가 있었다. 충전전력, 태양광발전시스템, 전기자동차 각각의 이용에는 문제가 없지만, 조합시켰을 때 충분히 능력을 발휘하지 못했다. 태양광발전시스템의 경우, 태양전지 모듈을 대량으로 도입하더라도 정전 시에 이용할 수 있는 것은 규제 때문에 1,500W로 한정되며 남은 전력은 쓸데없는 것이 된다. 전기자동차의 경우, 전기자동차로부터 가정에 전력을 보내는 V2H(Vehicle to Home)는 복수제품화되어 있지만, V2H를 실행하면 계통전력 및 태양광발전시스템으로부터의 전력은 차단된다. 그리고 태양광발전시스템을 사용해 전기자동차를 충전하는 것은 불가능하다. 태양광발전에 의한 전력판매와 V2H가 완전히 나누어져 있고, 정전시 V2H를 사용하면 태양광발전의 전력은 공중으로 나가버린다. 

이러한 문제를 전력수급제어시스템과 자립운전시 PV 연계기술, 심리스(Seamless) 충방전기술로 해결했다. 평상시에는 전력수급제어시스템이 세 종류의 전력을 감시하고, 자동적으로 사용량을 결정하고 있다. 별도 가정용 축전지를 준비하지 않더라도 소비전력의 피크컷이 가능하게 된다. 정전시에는 심리스 충방전 기술에 의해 전기자동차에의 충전과 방전을 순간적으로 전환할 수 있다. 태양광발전시스템에서 전기자동차에 충전하면서 가정에 전력을 공급할 수 있다. 자립운전 시 PV계통기술에 의해 정전 시라도 최대 약 6kW의 전력을 가정에 공급할 수 있으며, 비상용 콘센트가 아니라 통상적인 콘센트를 이용할 수 있다. 

또한 전력의 사용목적 및 생활스타일에 맞춰 그린모드와 에코노미모드, 자립운전모드 등 세 종류의 운전모드를 이용할 수 있다. 

이러한 모드를 전환하는 것은 본체에 부속된 실내 리모컨을 사용한다. 충전케이블이 접속되어 있으면, 정전시에 전기자동차로부터 가정에 전력을 공급하도록 지시할 수 있다. 실내 리모컨의 표시화면에는 현재 동작모드와 전력의 흐름, 크기(상용전력의 사용량, 태양광발전시스템 발전량, 가정 내 전력소비량, 전기자동차에서 V2H의 양, 전기자동차 충전량 등)가 표시되어 있다.