도로 운송은 전 세계 온실 가스 배출량의 거의 12%를 차지하므로 휘발유 및 디젤 차량에서 전기 자동차(EV)로의 전환은 기후변화와의 전쟁에서 핵심이다. 그러나 엄청난 성장에도 불구하고 2021년에는 전 세계적으로 판매되는 신차의 10% 미만이 전기 자동차였다.

 

자동차 구매자가 EV를 선택하지 않는 가장 일반적인 이유 중 하나는 차량의 긴 충전 시간이다. 자동차의 주유를 단 몇 분 만에 충전할 수 있지만 EV를 80% 충전하는 데는 30분에서 8시간이 소요될 수 있다. 그러나 최근의 혁신은 충전 과정을 극적으로 가속화하고 탄소 없는 미래로의 전환을 가속화할 것을 약속한다.

 

현상 유지

 

사용하는 EV 충전기 유형(레벨 1, 2 또는 3("직류 고속 충전기" 또는 DCFC라고도 함))은 충전 속도에 큰 역할을 한다. 레벨이 높을수록 충전기의 출력이 높아지며, 이는 일반적으로 더 빠른 충전과 동일하다.

 

더 많은 고속 충전기를 구축하는 것은 EV 채택을 장려하는 한 가지 방법이다. 오늘날 미국의 48,000개 충전소 중 12%만이 급속 충전기이다. 그러나 충전 속도는 사용 중인 충전기에만 의존하지 않는다.

 

대부분의 전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 충전 속도에 한계가 있으며, 이를 초과하면 배터리가 손상되고 수명이 단축될 수 있다.

 

이를 피하기 위해 충전기와 EV가 통신하여 손상을 최소화하면서 차량을 충전할 수 있는 가장 빠른 속도를 결정한다. 결과적으로 두 개의 다른 EV를 동일한 충전기에 연결할 수 있고 하나는 다른 것보다 빠르게 충전할 수 있다.

 

 

각 충전기 유형이 제공하는 범위는 주로 EV 배터리에 따라 다르다. 이미지 출처: City of Phoenix

 

더 나은 배터리

 

리튬 이온 배터리를 개선하여 충전 속도를 높일 수 있지만 EV에 새로운 유형의 배터리를 사용하여 충전 속도를 높이고 다른 이점을 누릴 수도 있다.

 

전 고체 배터리는 가장 유망한 대안 중 하나이다.

 

이들은 리튬 이온 배터리에 사용되는 액체 전해질을 고체 물질로 대체한다. 이를 통해 배터리를 더 안정적으로 만들고 충전 중 손상을 방지할 수 있어 EV를 더 빠른 속도로 충전할 수 있다. 또한 리튬 이온 배터리보다 더 가볍고 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

 

전 고체 배터리는 새로운 것은 아니지만 사용할 수 있으려면 해결해야 하는 많은 문제가 있다. 이제 몇몇 신생 기업은 EV에서 수년 동안 지속되고 저렴하게 대량 생산될 수 있는 디자인에 마침내 착륙했다고 말한다.

 

빌 게이츠(Bill Gates)가 지원하는 스타트업 QuantumScape는 2024년까지 15분 만에 80% 용량까지 충전할 수 있는 전 고체 배터리를 생산할 것으로 예상한다. Ford가 지원하는 스타트업인 Solid Power는 배터리가 90%에 도달할 수 있다고 말한다. 2026년까지 차량에 10분 안에 용량을 준비한다.

 

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 설계에 대한 또 다른 유망한 대안이다. 이 배터리도 액체 전해질을 사용하지만 전극 간에 전하를 전달하기 위해 리튬 이온에 의존하는 대신 작업은 나트륨 이온이다.

 

주요 이점은 비용과 청결이다. 나트륨은 리튬보다 훨씬 저렴하고 환경 부담이 적다. 그러나 나트륨 이온 배터리도 충전 속도를 높일 수 있다.

 

2021년, 세계 최대 EV 배터리 제조업체인 중국의 CATL(Contemporary Amperex Technology Co.)은 15분 만에 80%까지 충전할 수 있는 최초의 나트륨 이온 EV 배터리를 공개했다.

 

(참고할 가치가 있는 것은 이러한 차세대 배터리를 사용하여 80% 또는 90% 용량의 주행 거리가 몇 마일인지는 배터리와 EV 자체의 총 크기에 따라 다르다. 더 큰 자동차는 더 무거워지고 배터리가 더 빨리 소모된다. 그리고 실제 충전 속도도 충전기 유형에 따라 많이 다를 것이다.)

 

더 스마트한 충전기

 

배터리는 충전 방정식의 한 측면일 뿐이다. 또한 충전기와 충전기가 EV와 상호 작용하는 방식에 중점을 두어 프로세스 속도를 높일 수도 있다.

 

오늘날 EV 충전을 위한 표준 프로토콜은 배터리가 약 70% 충전되면 전력 공급이 천천히 시작되어 더 빨라졌다가 다시 느려지는 것이다. 이는 "충전 곡선"으로 알려져 있으며 Idaho National Laboratory(INL)의 새로운 연구의 초점이다.

 

INL의 작업에 참여하지 않은 UC Davis의 운송 기술 연구원인 Gil Tal은 "[연구원들이] 하려고 하는 것은 이 곡선을 최적화하여 더 높은 전력으로 더 많은 시간을 확보하는 것이다."라고 말했다.

 

American Chemical Society의 가을 회의에서 발표된 연구에서 INL 팀은 EV 배터리가 급속 충전되는 동안 최대 30,000개의 데이터 포인트를 분석하는 머신러닝 알고리즘을 훈련하여 프로세스가 배터리에 스트레스를 주는 모든 방법을 찾는다.

 

Eric Dufek 연구원은 "[우리는] 고장 모드를 이해하고 신속하게 식별하려고 노력했다. 그래야 배터리가 이런 방식으로 고장 나기 시작하고 있다고 말할 수 있기 때문이다."고 설명했다.

 

그런 다음 팀은 해당 정보를 사용하여 최적화된 충전 프로토콜을 개발했다. 실제 EV 배터리로 테스트했을 때 배터리의 장기적인 건강에 영향을 미칠 수 있는 손상 없이 10분 안에 최대 90%까지 충전할 수 있음을 발견했다.

 

그러나 테스트 중에 배터리가 얼마나 큰지 또는 어떤 유형의 충전기가 사용되었는지는 분명하지 않다. 즉, 90% 충전이 몇 마일에 해당하는지 알 수 없다.

 

그러나 Dufek은 New Scientist에 프로토콜이 오늘날 사용 중인 대부분의 EV 배터리에 적용될 것이라고 말했다. 제조업체는 특정 배터리 설계에 맞게 조정하기만 하면 된다. 이를 구현하는 것은 EV가 충전기와 통신하는 데 사용하는 소프트웨어를 업데이트하는 것만 큼 간단하다.

 

"정말 대단한 것은 비용 없이 개선된다는 것이다."라고 Tal이 말했다. “기존 인프라와 기존 기술로 어느 정도 개선할 수 있다.”

 

INL 팀은 분당 EV에 20마일의 범위를 추가할 수 있도록 향후 5년 동안 프로토콜을 계속 개발할 계획이다. 오늘날 가장 빠른 충전기는 분당 약 15마일이다.

 

Dufek은 Washington Post에 "목표는 주유소에서 볼 수 있는 [배]에 매우 근접하게 하는 것이다."라고 말했다.

 

결론

 

휘발유 및 디젤 자동차의 탱크만큼 빨리 충전할 수 있는 EV 배터리는 EV 채택에 대한 한 가지 주요 장애물을 제거할 것이다. 하지만 여전히 더 나은 충전 인프라, 보다 저렴한 EV 옵션 및 일반적으로 더 많은 EV가 필요하다.

 

그러나 이러한 문제를 극복하는 데 집중하는 사람들도 있으며 정부, 주요 자동차 제조업체 및 대중이 모두 구매함에 따라 EV에 대한 지원이 그 어느 때보다 높아 보인다. 2021년이지만 여전히 2019년 시장 점유율의 4배였다.

 

따라서 모든 징후는 우리가 전기적인 미래로 향하고 있음을 시사한다. 이제 문제는 얼마나 빨리 목적지에 도달할 수 있느냐는 것이다.