전기차?! 배터리에 대한 이야기 1탄

우선 배터리가 무엇이냐 부터 아셔야 할 것 같아서 이번에는 배터리가 무엇이고 어떤 종류가 있는지에 이야기 해보겠습니다. 사실 우리가 흔히 알고 있는 배터리는 건전지, 자동차보조배터리, 핸드폰 배터리 등이죠.

배터리는 크게 1차 전지와 2차 전지로 나뉘어 집니다.

1차 전지는 건전지와 같이 생산할 때 한번 충전하고 사용자가 한번 사용하면 다시 충전할 수 없는 전지를 이야기 합니다. 보통 1회용 전지라고 부릅니다. 뭐 비가역적이다 이런 용어도 있지만... 패스!

2차 전지는 1차전지의 단점을 보완하여 반복적으로 충전하여 재사용할 수 있도록 만들어진 전지를 이야기 합니다.

2차 전지 중에 여러분이 흔히 알고 있는 전지로는 납축전지, 니켈카드뮴 축전지, 리튬이온 축전지(최근에는 연료전지도 알고 계실꺼에요)입니다. 이러한 2차전지는 오래전부터 꾸준히 사용되어 왔습니다.

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납 축전지는 양극재로 납을 사용한 배터리입니다.

납을 사용하였기 때문에 환경문제도 있고, 내부 저항이 커서 에너지 전달률이 좋지 않기 때문에 부피가 크다는 단점이 있어요. 다만 내부 저항이 크다보니, 과충전, 과방전의 위험이 거의 없어 안전하게 사용할 수 있습니다. 여러분들은 자동차 본네트쪽에 설치되어 있는 보조배터리로 사용하는것으로 알고 계실텐데, 사실 산업현장에 보조전력(UPS)로 많이 사용되어 왔습니다.

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니켈 카드뮴 축전지는 양극재로 니켈과 카드뮴을 사용하는데요.

니켈은 납보다 에너지 전달률이 좋아서 같은 전력량의 납축전지보다 거의 절반 사이즈로 작아졌습니다.

다만 전해액(알칼리성)이 사용되기 때문에 꾸준히 보충해주어야 하며, 메모리현상으로 완전 충/방전을 주기적으로 해줘야 하는 등 일반적으로 사용하기는 어렵다는 단점이 있습니다. 그래서 납축전지가 사용되었던 보조전력(UPS)용으로 납축전지의 자리를 대신하는 것으로 사용되었으며, 전투기, 헬기, 전차, 발칸포, 함포 등 방산용으로 사용되어 왔습니다.

카드뮴이 환경오염물질이기 때문에 지금은 점점 사용처가 줄어들고 있는 형국이에요

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그리고... 리튬계열 배터리입니다.

리튬계열 배터리는 양극재로 리튬을 사용하며, 전해질로 이온수, 인산염, 폴리머 등을 사용함에 따라 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철 배터리로 나뉩니다.

리튬이온은 우리가 흔히 볼 수 있는 전기자전거나 전기오토바이에서 사용하는 것처럼 건전지 형태로 구성되어 있습니다.(물론 삼성 SDI각형 배터리처럼 네모난 박스형태도 있어요) 장점은 리튬이 에너지 전달률과 밀도가 높아 기존 납축전지나 니켈카드뮴전지보다 굉장히 작다는 장점이 있습니다.

그러나 내부 저항이 엄청 낮기 때문에 과충전, 과방전의 위험성이 높고 액체 전해질을 사용하기 때문에 배터리 내부 절연이 파괴되면서 열폭주현상으로 인한 폭발, 화재 사고로 이어질 확률이 높다는 단점이 있습니다. 그러나 다른 배터리 보다 체적이 작기 때문에 공간의 한계가 있는 자동차, 오토바이, 자전거 등에서 메인으로 사용되고 있습니다.

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리튬폴리머 배터리는 전해액을 겔형태의 폴리머로 사용한 것인데, 겔형태이므로 화재에 안전할 것 같아 초반에는 주목을 받았으나, 핸드폰 폭파사고 이후에 갤형태도 폭발할 가능성이 높다는 평가와 제조단가가 높아 지금은 사용처가 핸드폰같이 납작한 형태에서만 적용되고 있습니다.

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리튬인산철 배터리는 전해액으로 인산철염을 사용한 것으로 철성분이 함유되어 있다는 특징이 있습니다. 이 배터리는 철성분의 전해액으로 인하여 발화온도가 굉장히 높습니다. 그래서 다른 리튬계열 배터리보다 안전하다는 장점이 있지만 에너지밀도가 다소 낮아 약 30%정도 부피가 크다는 단점이 있습니다.

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리튬계열 배터리에는 과충전, 과방전의 위험성을 낮추기 위하여 BMS(Battery Management System)을 적용하는데, 이 BMS는 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등을 측정하여 배터리의 상태에 맞게 충전, 방전, 차단 등의 제어를 담당하고 있습니다. 처음 BMS는 Battery Monitoring System으로 시작하였습니다. 단순히 전압, 전류, 온도 등을 측정하여 전달하는 역할이었으나, 자동제어를 적용하여 지금의 BMS로 완성되었습니다.

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리튬계열 배터리는 셀, 모듈, 팩으로 나뉘는데, 배터리 하나를 배터리 셀이라고 지칭하고 배터리 모듈은 배터리 셀을 묶어 필요한 전력(전압과 전류)의 배터리 묶음을 지칭합니다. 배터리 모듈에는 배터리셀 상태를 측정하는 BMS가 부착되어 있으며 보통 sub-BMS 또는 Slave-BMS라 지칭하고 제어능력은 없습니다. 배터리팩은 다수의 배터리 모듈을 모아서 제어장치가 적용된 최종 집합체를 말합니다. 그러나 요즘에는 전기자동차와 같이 제어권은 ECU(Electric control Unit)에 넘기고 배터리 상태정보를 ECU측에 전달하고 명령을 하달받는 중간역할만 하도록 하는 경우도 많습니다.

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이외에도 전고체 배터리, 연료 전지, 바나듐 배터리 등 새로운 배터리들이 활발히 개발 중에 있습니다.

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전고체 배터리는 리튬계열 배터리의 단점인 액체, 겔형태의 전해질을 고체 전해질로 적용하여 절연파괴로 인한 열폭주를 방지하여 폭발, 화재의 위험성을 없앤 배터리를 말하며, 현재는 중국과 우리나라에서 개발하고 있습니다. 국내에서는 삼성과 LG가 산화물계 전고체 배터리를, SK가 황화물계 전고체 배터리를 개발하고 있으며, 2023년 개발 완료를 목표로 하고 있습니다. 중소기업 중에는 TDL이라는 회사가 전고체 배터리 셀의 양산화를 성공하였지만 가격이 비쌉니다.

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연료전지는 수소, 암모니아 등의 연료를 이용하여 스택이라는 장치에서 전기를 생성하여 배터리에 저장하는 시스템을 뜻합니다. 보통 스택을 연료전지로 알고 계시는 분들이 대부분이신데, 이 스택은 전기를 만드는 장치이고 만들어진 전기를 저장하기 위하여 리튬계열의 축전지를 추가로 설치하여 사용합니다.

넥쏘같은 수소연료전지 자동차도 플러그를 통하여 전기를 충전하는 것이 아닌 수소 가스를 충전하여 차 내부에서 직접 전기를 생성하고 배터리에 충전하는 방식이라고 생각하시면 됩니다.

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바나듐 배터리는.... 아직 개발 초기이기도 하고 제가 관심이 없어서 납축전지, 니켈카드뮴전지, 리튬계열전지처럼 바나듐이라는 물질을 양극재로 사용하는 새로운 배터리라고 생각하시면 편할 듯 합니다.

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앞으로 2탄에서는 전기차 배터리 팩에 대해 이야기하고

3탄에서는 화재, 폭발, 소화에 대해서

4탄에서는 현재 전기차 제조사들이 배터리팩을 어떻게 발전시켜 적용하는지에 대해서

마지막으로 5탄에서는 향후 전기자동차를 중고로 구입할 때 유의사항과 중고 배터리팩에 대한 내용을 적어보겠습니다.