[UAM] eVTOL 카테고리별 특징 및 배터리

 

eVTOL 핵심은 배터리

:: eVTOL의 동력원으로 크게 2차전지, 수소연료전지, 내연기관(하이브리드) 3가지가 있다

:: eVTOLnews에 따르면 개발이 진행중인 모델은 총 125개가 있으며 이중 88개 모델은 2차전지, 5개모델은 연료전지, 나머지 32개 모델은 하이브리드 시스템 기반이다.

:: 실질적으로는 대부분의 eVTOL이 2차전지를 동력원으로 채택해 개발이 진행 중인데 이는 2차전지 시스템이 수소연료전지 시스템과 비교해 인프라 구축 상황, 기술 개발 현황 그리고 동력원의 가격 등의 측면에서 상용화가 상대적으로 용이하기 때문인 것으로 예상된다.

 

리튬이온전지, 수소연료전지

:: 경제성 측면에서 리튬이온전지가 eVTOL의 동력원으로 보다 적합하다고 판단한다.

 

배터리 관건은 고출력과 고밀도

:: eVTOL용 배터리 팩은 기존 상용화 되어있는 전기차용 배터리 팩 보다 상대적으로 높은 단위 무게/부피당 에너지 밀도와 수직이착륙을 위한 고출력 특성이 요구된다.

:: eVTOL의 이륙과 착륙에 필요한 출력은 평소 운항 대비 3배 더 높으며, 3가지 형태의 eVOTL은 전부 전통적인 헬리콥터 대비 더 높은 출력을 요구한다.

:: 또한 만약의 사태에 발생할 수 있는 착륙 복행 또는 불시착을 대비하기 위해 여유분의 에너지를 저장해야 하기 때문에 보편적인 전기차 배터리보다 에너지 밀도가 높은 배터리가 필요하다.

:: eVTOL의 경우 기체의 특성상 전기차 보다 더욱 한정된 공간과 무게에 높은 에너지 밀도를 탑재 해야하며 이러한 조건을 만족하기 위해서는 하이니켈 양극재가 사용된 배터리 또는 에너지 밀도가 높은 전고체전지의 사용이 필수적일 것으로 예상한다.

 

eVTOL, 높은 방전 C-rate이 필수적

:: 에너지 밀도 보다 더욱 중요한 것은 배터리의 방전 속도이다.

:: eVTOL의 수직이착륙을 위해서는 초고속 방전, 즉 높은 C-rate을 구현할 수 있는 배터리가 필요하다.

배터리의 C-rate은 배터리의 충방전속도를 나타냄
- 정격용량을 1시간동안 충전 또는 방전할 경우 1C
- 정격용량을 12분 만에 충방전할 경 우 5C
- C-rate이 높을수록 저장되어 있는 에너지를 빠른 속도로 방전(고출력)할 수 있음을 뜻한다.

:: LFP 배터리의 순간방전 한계는 25C로 높은 C-rate을 구현할 수 있다. 하지만 단위 무게와 부피당 에너지 밀도가 삼원계 대비 낮기 때문에 고밀도 배터리가 필요한 eVTOL에는 다소 적합하지 않을 것으로 예상된다.

:: 반면 NCM과 NCA 삼원계 배터리는 상대적으로 높은 단위 무게/부피당 에너지 밀도를 보유하고 있음과 동시에 최대 30C의 높은 순간 방전이 가능하다.

 

EV 배터리 보다 높은 성능의 배터리 필요

:: 배터리팩 밀도 향상을 위한 개발은 지속적으로 필요하다.

:: 전기차용 배터리의 경우 셀→모듈→팩 단위로 조립이 이루어지는 과정에서 안정성을 위한 BMS와 온도제어 시스템 등 부가적인 부품이 더해지며 배터리 팩의 에너지 밀도는 셀의 에너지 밀도 대비 큰폭 감소한다.

:: 실제 시장에서 판매되고 있는 전기차중 가장 높은 배터리 팩 밀도를 보유하고 있는 Tesla Model 3 Long Range의 경우 팩 밀도는 156Wh/kg 수준이지만 단일 배터리 셀의 에너지 밀도는 260Wh/kg 수준으로 높다.

 

고밀도, 고출력 배터리 소재와 전고체 배터리

:: 차세대 양극재인 NCMA, NCMX 등을 사용하거나 기존 양극재의 니켈 함량을 높여 셀의 에너지 밀도 개선을 진행 중이다

:: 음극재 또한 개선이 가능하며 현재 5~10% 수준으로 소량 첨가되고 있는 실리콘 음극재(SiOx, SiC) 함량을 높이거나 음극용 CNT 도전재 적용을 통해 셀 단에서의 에너지 밀도를 향상해 전반적인 배터리 팩의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

:: 전고체전지는 큰 폭 향상될 것으로 예상되며 배터리의 성능이 우선되는 eVTOL에 우선적으로 적용될 것으로 예상한다

 

 

셀→모듈→팩, 부품과 셀 크기 개선

:: 배터리 팩에 사용되는 부가적인 부품 중 가장 큰 개선이 이뤄질 것으로 기대되는 것은 온도제어장치이다.

:: Tesla Model3의 경우 배터리의 에너지 효율을 높이기 위해 히트펌프를 장착해 배터리의 온도를 제어해준다. 히트펌프를 장착할 경우 배터리의 에너지 효율성은 상승하지만, 이로 인한 배터리 팩 에너지 밀도 저하는 불가피하다.

:: 히트펌프로 인한 에너지 밀도 저하를 방지하기 위해 모비우스에너지는 슈퍼열전도체를 통해 온도제어장치를 대체했다. 이를 통해 모비우스에너지는 배터리 모듈의 에너지 밀도를 201~223Wh/kg 수준까지 향상 시켰다.

:: 또 한가지 다른 접근으로는 배터리 셀의 크기를 키워 공간효율성을 높이는 것이다.

:: LFP 배터리 대비 고온안정성이 상대적으로 떨어지는 하이니켈 배터리는 장축화에 한계가 있지만, 일정 수준의 장축화를 통해 배터리 공간효율성을 높혀 배터리 팩 에너지 밀도 향상을 위한 연구개발을 지속하고 있다.