전기차?! 배터리에 대한 이야기 2탄

2탄으로 돌아왔습니다.

오늘은 전기자동차용 배터리 팩에 대해 이야기 해보려고 합니다.

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어제 살짝 이야기 했지만 배터리는 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩으로 구성됩니다.

현대, 기아, BMW, 벤츠, 아우디 등등 대부분의 전기자동차는 배터리 셀을 모아 모듈로 구성하고 이 모듈을 모아 팩으로 만들어 차량 하부에 장착하는 형태를 가지고 있습니다. 이러한 구조는 열폭주 할 때에 열확산을 막을 수 있고, 기계적인 구조상 내구성을 견고히 할 수 있으며, 조립의 편의성에도 도움이 되기 때문에 많은 회사들이 적용하고 있는 방식입니다.

그러나 테슬라의 경우에는 모듈을 구성하지 않고 셀을 바로 팩안에 넣어서 조립하는 방식을 사용하고 있습니다. 이러한 방식은 모듈리스 배터리팩이라 부르며 Cell to Pack 방식으로 알려져 있습니다. 최근에는 LG화학에서 MPI(Module Pack Integrated)라는 모듈리스 배터리팩을 적용하였습니다.

이 모듈리스 배터리팩은 모듈 구조의 기구물이 없어지고 그 공간을 배터리 셀로 채울 수 있기 때문에 같은 크기의 배터리팩에 더 많은 에너지 밀도를 구성할 수 있는 장점이 있으나 팩 구조에 따라 진동에 약하다는 단점이 있습니다.

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배터리 팩은 배터리 셀의 특성상 다만 방열과 히팅 기술이 매우 중요합니다.

배터리 팩은 기본적으로 방습 방진 구조를 가지고 있기 때문에 배터리의 열을 냉각시키는 방열에 기술이 필요합니다.

배터리 팩의 방열방식으로는 간접 냉각방식과 직접 냉각방식으로 나뉩니다. 간접 냉각방식은 방열판에 차가운 공기를 지나가게 하여 냉각시키는 방식이고 직접 냉각방식은 방열파이프를 만들어 파이프 안에 냉각수가 흐르도록 하는 방식입니다. 현재 자동차용 배터리 팩에는 간접 냉각방식을 사용합니다.

자동차용 배터리 팩에 사용하는 간접 냉각방식은 셀 사이에 방열판을 설치하고 이에 연결된 방열핀을 공기순환통로에 노출시켜 찬 공기가 열을 빼았아 가는 방식과 방열판에 냉각수로 열을 내린 쿨러로 찬공기를 내보내서 열을 내리는 방식을 적용하고 있습니다.

 

< 출처 : 헤시넷 방열판 >

냉각 방식에는 직접 냉각 방식이 가장 효과가 좋지만 냉각파이프가 파손되어 냉각수가 배터리 셀에 접촉되었을 때 발생할 수 있는 쇼트로 인한 열폭주의 위험성 때문에 사용하고 있지는 않습니다.

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마지막으로 전기자동차용 배터리 팩에는 대부분이 리튬이온 배터리를 사용하는 것으로 알고 계실 것입니다.

그러나 최근에는 열폭주에 좋은 특성을 가지고 있는 리튬인산철 배터리를 적용하고 있는 추세입니다.

리튬 인산철 배터리는 철 성분으로 인하여 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 낮은 것이 단점이었습니다. 그러나 중국 및 유럽에서는 공간 제약에 약간이나마 영향이 없는 트럭류에서는 리튬이온 배터리보다 리튬인산철 배터리를 적용하고 있었습니다. 올해 7월 중국 CATL사에서는 리튬인산철 배터리의 에너지 밀도에 대한 단점을 보완하기 위하여 리튬이온배터리에 적용하고 있는 삼원계 성분을 혼합하여 에너지 밀도를 리튬이온 배터리와 비슷하도록 하는 리튬인살철 LFMP배터리를 상용화하는데 성공하였고 2023년에는 벤츠 EQA, EQB모델에 적용하고 SK온에서 납품하고 있는 BMW, 스텔란티스, 폭스바겐에도 납품하는 것으로 계약 완료하였습니다.

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또한 CATL에서는 M3P라고 하는 리튬인산철의 양극재 구조에 리튬이온의 NCM을 접목하여 가격은 리튬인산철과 비슷하고 에너지 밀도는 리튬이온과 비슷한 새로운 배터리가 개발 완료되어 내년부터 판매를 시작한다고 합니다.

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이처럼 사람이 직접 타는 장치에 적용되는 대용량 배터리팩은 무엇보다 중요한 것은 안전입니다.

지금은 대체품이 없어서 리튬이온이 적용되고 있지만 향후에는 리튬 인산철을 거쳐서 전고체 배터리 등 새로운 배터리셀로 점점 바뀌는 추세가 될 듯 보입니다.

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