납축전지는 보통 10 시간에 걸쳐 전기 뽑아쓸 때 기준으로 공칭 용량을 말합니다.
10 시간 이상 길게 즉 적은 전류만 뽑아쓸 때 표기된 용량을 보증한다는 의미이고,
그보다 더 많은 전류를 뽑아쓰면 용량 손실이 점점 심해집니다.
1 시간에 전기 다 뽑아쓰려들 경우 ? 원래 용량의 절반 가까이는 그냥 날아갑니다.
그만큼 열이 나고 이 열은 납축전지 자체 특성을 나쁘게 함과 아울러 주위 회로들까지 특성 나빠지게 만들어서 안 그래도 나빠진 것이 더 나빠지는 악순환을 일으킵니다.
다만 납축전지는 상대적으로 안전합니다. 과부하를 걸어도 터지거나 그러진 않고 용량 손실이 아주 심해질뿐. 그래서 자동차 시동용으로 많이 씁니다. 순간적으로 과부하 걸어도 일단 출력은 높게 잘 나오고, 자동차 시동은 잠깐 쓰는 것이니 용량 손실 걱정할 이유도 없고요.
물론 심하면 납축전지에서 대량의 가스가 발생되고 화재가 날 수는 있지만요.
( 잠수함 영화 보면 배터리 가스 발생, 화재 이런 장면이 약방의 감초처럼 나오죠. )
이에 반해 리튬이온배터리는 보통 2 시간에 걸쳐 전기 뽑아쓸 때 기준으로 공칭 용량을 말합니다.
과부하를 걸었을 때 사고 위험이 커지고, 잠수함 내부에 바닷물이 들어와서 침수되면 폭발 위험까지도 있습니다. 물론 설계에 따라서 많이 달라지는 부분입니다. 과부하에 좀 더 잘 견디게 하고 폭발 위험을 줄이면 공칭 용량이 줄어드는 식의 트레이드오프를 감수할 수도 있고요.
납축전지 써서 20 노트 속도로 1 시간을 달린다면 ? 앞서 말했듯이 극심한 용량 손실이 있는 상태입니다.
공칭 용량대로라면 2 시간은 너끈히 달릴 수 있었을 것이고요.
만약 같은 용량의 리튬이온배터리였다면 문제없이 2 시간 달렸을겁니다.
잠수함에 쓰기 위해 안전 강화하고 물리적으로 보호 대책 세우고도 리튬이온배터리는 납축전지에 비해 같은 무게로 2.5 배 공칭 용량을 갖습니다.
같은 무게의 리튬이온배터리를 써서 20 노트로 달리는 경우 납축전지에 비해 5 배 정도 더 오래 갈 수 있죠.
1 시간 가던 것이 5 시간 갈 수 있다는 얘기.
납축전지가 무게당 용량이 적은 것 때문에 수소연료전지나 스털링기관 같은 AIP 를 첨가하는데,
리튬이온배터리로 바꾸게 되면 굳이 그럴 필요가 적어지게 됩니다.
AIP 를 빼버리고 그 부피/무게만큼을 리튬이온배터리로 더 채우게 되면 2 배 양을 넣을 수 있습니다.
그러면 ? [납축전지 + AIP] 대신 같은 부피/무게의 리튬이온배터리를 쓰는 것만으로도
20 노트 속도로 1 시간 달리던 것이 10 시간 달릴 수 있게 되는거죠.
물론 리튬이온배터리가 용량당 가격이 납축전지나 AIP 에 비해 상당히 비싸기 때문에
잠수함 건조비가 올라갑니다.
그러나 AIP 에 쓰던 액화산소, 액화수소가 필요없어지기 때문에 운영비가 절감되므로
장기적으로 보면 건조비 올라간 것을 본전 뽑게 되겠고요.
참고로 50 명이 91 일동안 호흡하는 산소는 4.15 톤에 불과합니다.
부피로 따지면 3.6 세제곱미터 정도이고, 액화산소 탱크는 길이 7 미터, 직경 1.4 미터 정도로 될거고요.
AIP 에 들어가는 액화산소/액화수소는 수십톤 거의 100 톤까지도 갈겁니다.
( 탱크 제외하고 안에 들어가는 것 무게만 따진 것임 )
아직은 잠수함에 들어가는 리튬이온배터리가 100 Wh/kg 수준 ( 일본이 현재 만들고 있는 소류급 기준 ) 정도인데, 배터리셀 자체는 144 Wh/kg 이지만 껍데기 씌우고 안전대책 강화하느라 무게가 늘어났기 때문일 것 같고요. ( 참고로 전기차나 휴대폰에 들어가는 리튬이온배터리는 250 Wh/kg 수준입니다. )
몇 년 안 되서 전기차용으로 400 Wh/kg 수준 배터리도 나올텐데, 이게 나오면 잠수함에 있던 리튬이온배터리를 새로운 배터리로 바꾸기만 해도 작전 시간 몇 배 확대가 가능해집니다.
( 배터리 교체는 창정비 필요없고, 해치를 통해서 집어넣고 뺄 수 있습니다. )
이렇게 좋은 것을 왜 아직도 안 했는가 ?
고속주행시에 작전시간을 획기적으로 늘릴 수 있지만, 저속주행시 작전시간은 AIP 쓰는 것에 비해 오히려 떨어지기 때문입니다. 대신 AIP 는 저속주행시에만 의미가 있죠. 가늘고 길게 간다 할까요 ?
몇년후 전기차용으로 400 Wh/kg 배터리가 나와서 잠수함에 넣었을 때는 300 Wh/kg 만 나온다 해도 현재 리튬이온배터리 쓴 것에 비해 작전시간 3 배 확대 (20 노트로 1 시간이 30 시간) 되니까 AIP 쓰는 것에 비해 고속부터 저속까지 모든 영역에서 더 오랜 작전 시간을 보여줄 것으로 생각되고요.
ps. 400 Wh/kg 라 써야 할 것을 500 Wh/kg 으로 잘못 쓴 부분들을 수정했습니다.