액체전지로 600km 주행하는 자동차: 급수가 충전

액체전지로 600km 주행하는 자동차: 급수가 충전

레독스 플로우 축전지 기술을 혁신했다고 주장하는 nanoFLOWCELL은 2014년 7월 신형전지를 탑재한 전기자동차 “QUANT e-Sportlimousine"의 공도실험이 가능하다고 발표했다. 신형전지는 액체로 전력을 축적한다. 전기자동차의 상식을 깨는 기술이 또 하나 등장하였다. 차량 탑재 탱크에 저장한 400L의 수용액으로부터 전력을 생산하여 600km 주행가능한 자동차가 만들어졌다. 전지가 모두 소모되면 수용액을 급유(급수)하여 몇 번이고 600km를 주행한다. 600km 주행할 수 있다면 도쿄-오사카를 주파할 수 있다. 휘발유 자동차와 완전히 동일한 사용이 가능하게 된다. 이 기술은 수용액 자체에 전기에너지가 축적된다. 주행 시에 수용액 이외의 무언가를 소비하는 일은 없다. 수용액에 포함되어 있는 것은 저가로 환경에 부하를 주지 않는 금속이온이며, 귀금속과 희소금속은 사용하지 않는다. 수용액이기 때문에 저비용으로 운행된다. 이 기술은 특수 조건 하에 놓인 시험관 속에서만 재현 가능한 것이 아니다. 스위스와 오스트리아 사이에 위치한 리히텐슈타인에 본거를 둔 nanoFLOWCELL은 2014년 3월에 스위스에서 개최된 “쥬네브모터쇼 2014”에서 최초의 프로토타입 모델인 “QUANT e-Sportlimousine”을 전시하였다. 2014년 7월에는 독일 바이에른주 오버바이에른의 지방정부로부터 공도의 주행허가를 취득하여 독일과 유럽의 공도에서 주행시험이 가능하게 되었다. 이 자동차에는 200L의 탱크가 2개 구비되어 있으며, 각각 다른 수용액 A와 B가 들어가 있다. 탱크는 각각 1개씩 “급수구”를 갖추고 있다. 수용액에서 전력을 빼내는 “전지”를 회사명과 같은 nanoFLOWCELL로 부른다. 출력전압은 600V, 출력전류는 50A이다. 전지가 출력한 전력(30kW)을 대용량 캐퍼시터(슈퍼캐퍼시터)에 일시적으로 축적하고 그 후 모터에 공급한다. 대용량 캐퍼시터는 축전용량이 큰 “콘덴서”이다. 일반적 축전지와 달리 거의 손실이 없이 전력을 충방전할 수 있다. 그리고 1초당 방전, 축전할 수 있는 전력이 크다. 스포츠카에 대응할 수 있는 전지시스템으로서 뛰어난 구성이라고 한다. 대용량 캐퍼시터의 용도는 또 한 가지 있다. 회생전력을 축적하여 필요에 따라 방출하는 것이다. nanoFLOWCELL은 전혀 신규의 축전지 기술이 아니다. 1976년에 NASA가 특허를 취득한 레독스기술에 기원한다고 한다. 이 기술은 일본에서는 레독스 플로우 축전지로서 실용화되었다. 리튬이온 축전지에서는 리튬이온(Li+)이 세퍼레이터를 끼고 서로 마주하는 부극(흑연)과 정극(리튬 금속산화물) 사이를 오고 가는 것으로 충방전이 일어난다. 리튬이온이 정극에서 “녹아 나온다”, “원래로 되돌아 간다”라는 반응을 반복하므로 몇 번이고 충방전을 수행하면 정극의 (분자)구조가 뒤틀려서 용량이 당초보다도 줄어들어 버린다. 이것이 수명으로 이어진다. 레독스 플로우 축전지에서는 금속이온을 포함한 두 종류의 수용액을 이온교환막으로 분리하여 배치한다. 두 개의 수용액 사이를 가고 오는 것은 일반적으로는 수소이온(H+)뿐이다. 각각의 수용액은 충방전 시에 별도의 수용액 상태를 유지한 채 금속이온의 산화환원(레독스) 반응을 일으킨다. 용출과 석출 등의 현상은 일어나지 않는다. 이 때문에 리튬이온 축전지와 같은 수명 문제는 일어나기 어렵다. 1만회 이상의 수명(충방전 사이클)을 쉽게 실현할 수 있다. 레독스 플로우 축전지의 장점으로는 또 한 가지가 있다. 수용액에 에너지가 축적되어 있으므로 수용량의 전지가 필요하다면 단순히 탱크의 용량을 늘리면 된다. 리튬이온 축전지에서는 이렇게는 되지 않는다. 다만 이러한 장점은 그대로 레독스 플로우 축전지의 단점이 된다. 대용량의 탱크가 필요하므로 소형화되지 않는다. 레독스 플로우 축전지의 용도는 전지의 치수보다도 대용량화와 긴 수명 등이 중시되어 정치형 전지, 예를 들면 태양광발전과 풍력발전 등 재생가능 에너지의 평준화 등이다. 레독스 플로우 축전지의 성질을 이해하면 리튬이온 축전지와 비교하여 차량탑재 용도에는 맞지 않다는 것을 알 수 있다. 1L당 축적된 전력량(에너지밀도)과 1초간 방출할 수 있는 전력(파워밀도)을 높일 수 없다면 차량탑재 용도로는 사용하지 않을 것이다. 부피가 너무 커져서 조금씩만 전력을 빼낼 수 있기 때문이다. nanoFLOWCELL 에서는 어떠한 금속이온을 채용하였는가, 분명히 밝히지 못하였다. 분자설계를 통하여 양자화학의 응용에 의해 성능을 개선하였다. 수용액 중의 이온농도를 높게 유지할 수 있어 에너지밀도와 파워밀도가 높아진다고 한다. 통상적인 레독스 플로우 축전지라면 필요한 수천 L의 탱크를 수백 L까지 줄이게 되었다. 동시에 축전지의 내부저항을 낮춤으로써 내부효율이 80% 이상으로 높아졌다. 자기방전도 적다. 1일당 1% 이하다. 이러한 성과가 레독스 플로우 축전지(nanoFLOWCELL)로 동작하는 역사상 최초의 전기자동차를 만들어 낸 것이라고 한다. 레독스 플로우 축전지와 nanoFLOWCELL을 비교하면 출력밀도(1kg의 전지가 출력하는 파워)는 600배, 에너지밀도(1kg의 전지가 축적되는 전력량)는 5배로 높아진다. 출력밀도가 높아지면 1초당 이용 가능한 전력이 증가한다. 전기자동차이면 순발력(가속)이 향상된다. 에너지밀도의 수치가 증가하면 전지를 소형화할 수 있어 작은 전지로도 장거리를 주행할 수 있다. 에너지밀도는 중량당뿐만 아니라 체적당 값도 중요하다. nanoFLOWCELL의 체적 에너지밀도는 600Wh/L로, 이것은 차량탑재용 리튬이온 축전지의 5~6배에 해당하는 수치이다. 또한 nanoFLOWCELL은 레독스 플로우 축전지와 다르지 않는 장점도 있다. 수명이다. 리튬이온축전지의 100사이클(충방전 회수)이라는 수명에 대해 nanoFLOWCELL에서는 1만 사이클에서도 눈에 띄는 성능저하가 일어나지 않는다. (그림 1) QUANT e-Sportlimousine의 파워트레인 구성 (그림 2) 리튬이온 축전지가 방전되어 있는 모양 (그림 3) 레독스 플로우 축전지의 기본구성 출처 : http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1407/25/news041.html

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