LG에너지솔루션이 만드는 하늘길을 여는 배터리..‘UAM용 배터리’의 차별적 특징은?

[LG에너지솔루션 제공, 정리=데일리카 하영선 기자] 현재 세계 주요 도시들은 주거, 환경, 교통 등 복합적인 문제에 직면하고 있습니다. 대도시로 인구가 집중되며 발생하는 인구 과밀화는 다양한 도시 문제의 주요 원인으로 꼽히는데요. 특히 도시의 한정된 교통 인프라에 인구 집중 현상이 맞물리면서 급증하는 교통 수요를 체계적으로 관리하기 어려워졌고, 이는 심각한 교통 체증 및 환경 문제로 이어지고 있습니다.

이러한 도심 교통 문제를 해결할 새로운 대안으로 주목받는 것은 바로 ‘UAM(Urban Air Mobility, 도심항공교통)’입니다. UAM은 도시 교통의 패러다임을 바꿀 미래형 모빌리티가 될 것이라는 기대를 받고 있는데요. UAM의 성능 좌우하는 핵심 기술이 바로 ‘배터리’입니다. UAM의 개념부터 UAM 적용을 위해 연구되는 배터리 기술까지 자세히 들여다보겠습니다.

UAM(Urban Air Mobility)이란? Urban Air Mobility의 약자인 UAM은 도심의 300~600m 고도 상공을 활용한 교통체계를 의미합니다. 이는 단순 항공 운송을 넘어 기체 개발, 인프라 구축, 운영 플랫폼, 교통 서비스, 유지보수 등 항공 모빌리티 생태계 전반을 포괄하는 개념으로 사용되고 있습니다.

기존의 항공 모빌리티는 장거리 중심의 고속 운송 방식을 특징으로 합니다. 하지만 도시 내 그리고 도시 간 발생하는 엄청난 이동 수요를 분산해야 할 필요성이 대두했고, 이 역할을 수행할 새로운 교통 수단으로 UAM이 주목받게 되었습니다. UAM은 차세대 교통수단으로써 도심의 교통난을 해소하고, 사람·화물을 빠르게 운송하는 역할을 수행할 것으로 기대하고 있습니다.

친환경적이고 효율적인 운행이 가능한 ‘eVTOL’ UAM에 사용되는 기체에는 플라잉카(Flying Car), PAV(Personal Air Vehicle), eVTOL(electric Vertical Take-Off and Landing aircraft) 등이 있습니다.

플라잉카는 도로와 공중을 모두 주행할 수 있는 자동차로, 초기에는 UAM 기체로 주목받았습니다. 하지만 플라잉카는 내연기관으로 인한 공해·소음 문제와 활주로 공간 제약 등의 한계가 있어, 도심 내에서 효율적으로 이동하기에는 어려움이 있었죠.

이 문제를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 PAV입니다. PAV는 드론과 항공기의 장점을 결합한 형태인데요. 배터리와 모터 기반의 동력장치를 활용하기 때문에 친환경적이고 저소음 운행이 가능하며, 수직 이착륙이 가능해 공간 제약도 최소화할 수 있습니다. PAV는 이착륙 방식에 따라 STOL(Short Take-Off and Landing), VTOL(Vertical Take-Off and Landing) 등으로 나뉘는데요. 이 중 VTOL은 활주로가 필요 없는 방식입니다.

현재 UAM 기체는 한 단계 더 진화하여, eVTOL(electric Vertical Take-off Landing)이 주로 연구되고 있습니다. eVTOL은 전기 동력 기반 수직 이착륙 항공기로, 활주로 없이 수직 이착륙이 가능합니다. 최근에는 eVTOL이 도심에 위치한 버티포트(Vertiport)1에서 이착륙할 수 있게 하는 UAM 생태계도 연구되고 있죠. 또 eVTOL은 전기 동력으로 주행하기 때문에 탄소 배출이 없으며, 저소음, 자율비행, 무인 운항 등 다양한 장점을 보유하고 있습니다.

UAM용 배터리는 극한의 상황에도 버텨야만 합니다. 그게 필수요소 입니다. UAM은 실제 도심 환경에 적합한 항공기 플랫폼으로 변모하고 있고, 특히 eVTOL이 중점적으로 연구 개발되고 있습니다. 이 eVTOL 성능의 핵심은 바로 배터리입니다.

eVTOL에 적용되는 배터리는 일반 전기차 배터리보다 훨씬 더 정교한 성능을 필요로 합니다. 하늘을 날아다니는 eVTOL의 특수한 운용 환경을 고려해야 하기 때문인데요. 그런만큼 eVTOL은 고도 변화, 기온 편차, 연속 운항과 같은 변수에 대응하고, 극한 조건에서도 안정적으로 작동해야 합니다.

eVTOL에 탑재되는 배터리는 경량화, 고출력, 고에너지밀도 등의 조건을 갖춰야 합니다. 먼저 비행체의 무게는 곧 연료 효율과 비행 시간에 직결되기 때문에, 배터리는 가능한 한 가볍게 설계돼야 합니다. 동시에 수직 이착륙과 장거리 운항을 가능하게 하기 위해 고출력과 고에너지밀도 역시 필수적입니다. 즉, eVTOL용 배터리는 무게를 낮추면서도 충분한 용량을 보유하고 있어야 하는 게 기본입니다.

열 안정성과 (배터리 화재) 안전성 역시 중요합니다. 연속적인 고도 변화와 외부 온도가 급격히 변동되는 조건 속에서도 배터리가 안정적으로 작동해야 하기 때문인데요. 이를 위해 더욱 정교한 BMS(Battery Management System, 배터리 관리 시스템)의 탑재가 요구됩니다. 이는 단순 고성능·고출력 배터리를 넘어, 비행 중에도 실시간으로 상태를 진단하고 최적의 성능을 유지할 수 있어야 하기 때문입니다.

UAM용 배터리에 알맞은 차세대 배터리 후보는 뭘까? 경량화, 고성능, 그리고 다양한 비행 환경에서도 확보되는 안전성 요건을 만족시키는 UAM용 배터리에는 리튬황배터리, 전고체배터리 등이 꼽히고 있습니다.

리튬황배터리는 양극에 황-탄소 복합체, 음극에 리튬메탈을 사용한 배터리인데요. 기존 리튬이온배터리에 비해 에너지 밀도가 높고 무게는 훨씬 가볍습니다. 황은 1675mAh/g, 리튬은 3500mAh/g의 이론 용량을 보유하는데, 이는 각각 NCM 계열 양극(200mAh/g)과 흑연 음극(350mAh/g)에 비해 약 8배 이상의 성능을 보유합니다.

이처럼 리튬황배터리는 동일한 무게로 더 많은 에너지를 담을 수 있어 무게 대비 에너지 효율이 매우 뛰어난 배터리이기 때문에, eVTOL에 필요한 경량화와 고성능의 조건을 충족시킬 수 있습니다.

차세대 배터리 중 하나인 전고체배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리입니다. 누액이나 폭발 위험이 없고, 외부 충격이나 고온 환경에서도 안전하게 작동하는 특징 덕분에, 도심 상공과 같은 다양한 환경에서도 안전성을 확보할 수 있습니다.

특히 전고체배터리는 고체 전해질을 사용함으로써 분리막을 없앤 대신, 그 자리에 더 많은 활물질을 채워 넣을 수 있어 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 때문에 전고체배터리도 eVTOL에 적합한 차세대 배터리로 주목받고 있죠.

LG에너지솔루션은 미래의 교통수단이 될 UAM의 가능성을 일찍이 깨닫고, 이에 대응할 배터리 기술 개발에 선제적으로 나서고 있습니다. 2023년에 신설된 ‘미래기술센터’ 산하에서 UAM 기체에 최적화된 차세대 배터리 연구를 지속적으로 수행하고 있죠.

그 결과 다양한 차세대 배터리에 대한 굵직한 연구 성과를 보이고 있습니다. 특히 리튬황배터리 분야에서는 카이스트(KAIST)와의 공동 연구를 통해 상용화를 가로막던 기술적 과제들을 해결했습니다. 전해액 사용량을 기존 대비 60% 이상 줄여 안정성을 강화하고, 전극 부식을 억제할 수 있는 불소화 에테르 용매 기술을 도입해 리튬 금속 음극의 안정성을 크게 높였습니다. 동시에 전해질 분해 문제를 해소했습니다.

LG에너지솔루션은 핵심 배터리 기술들을 UAM용 배터리 기술 개발을 포함한 다양한 제품 포트폴리오에 적용시키고 있습니다. 이를 통해 선박, 휴머노이드 로봇 등 고출력과 경량화, 고안전성이 요구되는 분야에서도 경쟁력을 갖춘 배터리 솔루션을 갖추고 있는데요. 한 발 앞선 기술력과 특허를 바탕으로, 다양한 신규 애플리케이션에도 투입 역량을 확대할 계획입니다.

UAM은 단순히 하늘을 나는 차를 넘어서, 지속가능한 미래를 만들어갈 새로운 교통 인프라입니다. UAM 상용화를 가능하게 만드는 핵심 요소는 바로 배터리 기술입니다.

LG에너지솔루션은 차세대 배터리 개발을 통해 UAM의 상용화를 조금씩 앞당기고 있는데요. 하늘길이 새로운 일상이 될 수 있도록 배터리 기술의 고도화에 전력을 다하고 있습니다.

[LG에너지솔루션 제공]