▲ 문학훈 오산대학교 자동차과 교수     ©화성신문

전기차 배터리는 주행거리에 아주 중요한 요소로 우리가 핸드폰을 사용할 때 사용되는 배터리도 자동차용 배터리와 동일한 배터리를 사용한다. 핸드폰을 많이 사용하면 충전해서 사용해야 하는 원리와 같고 용량을 크게 하면 오랫동안 사용할 수 있는 것과 동일하다. 또한 충전과 방전을 지속하게 되면 내구성이 떨어지고 배터리를 교환해야 하는 이유이기도 하다.

그렇다면 자동차 배터리의 구조는 어떻게 되어 있을까? 가장 최소 단위로는 셀(Cell)이 있고, 몇 개의 셀을 구성하여 만든 것을 모듈(Module)이라 하고, 몇 개의 모듈을 연결하여 사용하는 것이 배터리 팩이다. 각각의 셀을 직렬로 연결해 전압을 높게 해 사용하게 되는 것이다. 한 개당 셀의 유효 전압이 3.5-3.7V로 많은 셀을 직렬로 연결하면 높은 전압으로 만들 수 있는 것이다.

일반적으로 전기차가 800V로 작동된다면 실제 사용되는 유효전압은 80% 정도의 전압이 된다. 즉 800V의 유효전압인 640V가 실제 전기자동차에서 사용되는 유효전압이 되며, 640V가 되기 위한 셀은 3.5V로 나누면 총 182개의 셀이 전기차에 장착되는 것이다. 셀은 교류(AC)가 아니고 직류(DC)상태로 전류가 저장되어 있다. 따라서 외부로부터 공급되는 전기는 교류(AC)이지만 배터리에 충전이 될 때는 직류(DC)로 충전된다. 따라서 외부로 직접 충전하기 위해서는 교류를 직류로 바꾸기 위해 OBC(On Board Charger)를 통해 직류로 변환해 배터리에 충전된다.

전기차 배터리는 (+)와 (-), 즉 양극재와 음극재로 구분되며 양극재와 음극재가 서로 접촉되지 못하도록 격리판이 중간에 들어가는 구조이다. 국내에 널리 사용되는 배터리는 NCM 배터리(니켈, 코발트, 망간)이며, 최근에 중국에서 수입해서 사용되는 배터리는 LFP(리튬, 인산철)를 전기차에 적용하는 사례가 늘어나고 있다. NCM 배터리보다 LFP 배터리가 에너지 밀도가 낮고, 1회 충전거리가 짧다는 단점을 가지고 있지만, 가격이 저렴하다는 것 때문에 전기차 판매 단가를 낮추기 위해 적용하는 국내차가 많아지고 있다.

배터리의 형상으로 구분하기도 하는데 파우치형, 원통형, 각형으로 구분할 수가 있으며 각각의 장단점이 있어 전기차에 알맞은 구조로 채택해 사용한다.

 원통형은 기존의 대량 생산하던 표준화된 사이즈로 생산이 용이하다는 특징이 있으며, 각형 배터리는 단단한 패키징으로 외부 충격에 강하며, 파우치형 배터리는 가장 얇은 두께와 높은 에너지 밀도를 가질 수 있고 다양한 사이즈 및 모양으로 구현이 가능하다. 국내 판매 중인 전기차 중 아이오닉5, 아니오닉6. EV6, GV60은 파우치형 NCM 배터리를 사용하고 있으며, 니로EV는 중국CATL 배터리인 각형 NCM 배터리를 사용하고 있다. 테슬라는 파나소닉 및 테슬라의 21700 원통형 배터리를 사용하고 있으며, BMW는 삼성 SDI의 각형 배터리를 사용하고 있다.

그렇다면 문제가 되고 있는 전기차 배터리의 화재 발생은 어떤 원인으로 발생하는가? 기본적으로 전기차 배터리는 많은 셀이 직렬로 연결되어 있고 셀에는 양극재와 음극재, 그리고 격리판이 있는데 내부의 화학작용에 의해서 쇼트가 발생하게 되는 높은 전압에 의해 화재가 발생하게 되는 것이며, 화학작용에 의한 화재 발생을 최소화하기 위해 전고체 배터리 개발이 앞당겨지고 있다. 화재 진압이 어려운 이유로는 배터리 팩에 방수를 위해 씰링을 해놓아 외부에서 물을 뿌려도 배터리 팩 내부로 물이 침투하지 못하기 때문이다. 

이러한 것도 연구를 통해 배터리 내부에서 진압이 가능하도록 화재 시 내부 소화기를 통한 진압을 조기에 진압하기 위한 연구가 필요할 것이다.  

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