전기자동차의 핵심 전기 배터리는 어떤 것일까? 사용 시 주의사항은?

[이상민92]

동네 문방구 앞에서 아이들이 신나게 떠듭니다.

자세히 보니 굉음을 울리는 장난감 자동차가 트랙을 달리고 있습니다.

쉬는 시간에 아이들이 배터리를 갈아 끼우는 모습을 지켜보니, 자동차 바닥에 커버를 젖힌 뒤 1.5v 건전지 2개를 넣습니다.

어떤 친구는 모터를 손본다고 차를 분해하고 있습니다. 모두들 경쟁에서 이기기 위한 기술입니다.

아이들이 지금 손보고 있는 자동차는 전기자동차입니다. 배터리와 모터를 사용하기 때문이죠.

저는 오늘 이중 배터리, 다시 말하면 전기자동차 배터리에 대해 말하려고 합니다.

너무 긴장하실 필요는 없습니다. 여러분들은 이미 배터리 전문가이십니다.

"아닌데?"라고 하실 수도 있지만, 주머니 속 스마트폰에 달려있는 배터리와 똑같은 녀석이 전기자동차에도 들어갑니다.

맞습니다, 리튬 배터리입니다.

1. 리튬 배터리의 원리

리튬이온배터리의 4대 요소 © 삼성 SDI

그렇다면, 리튬 배터리는 어떻게 동작할까요?

리튬이온배터리 내부는 양극과 음극 그리고 이 둘을 분리하는 분리막이 있습니다.

나머지 빈 공간에는 전해액이 채워져 있는데요.

우리가 일반적으로 충전을 할 때는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하고 사용할 때는 반대로 음극에서 양극으로 이동합니다.

전해액은 리튬 이온이 움직일 수 있도록 도와주는 매개체인데요.

주로 유기용매, 리튬염, 첨가제 3가지 성분으로 이루어져 있습니다.

리튬염은 LiFSI, LiPO2F2, LiBOB, LiDFOP, LiPF6등으로 구성되어 있습니다.

유기용매는 리튬염을 녹여 이동이 잘 되도록 도와주는데요.

여기서 중요한 것은 리튬이 물을 만나면 급격한 반응으로 온도가 상승하여 폭발 위험이 있으므로

유기용매는 물과 반응하지 않는 물질로 되어있어야 합니다.

첨가제는 SN, DPN, AN 등이 있으며, 배터리를 보호하는 역할로 과충전, 과방전을 막아줍니다.

2. 리튬 배터리의 문제점 및 배터리 화재사고

그렇다면 리튬 배터리를 사용하는 전기자동차는 어떤 문제가 있을까요?

우리가 뉴스에서 자주 나오는 전기자동차 배터리 사고는 어떤 것이 있나요? 맞습니다. '배터리' 화재입니다.

전기자동차 보급이 확대되면서 덩달아 리튬 배터리 화재 소식도 빈번합니다.

이러한 배터리 화재의 주된 이유는 3가지 정도로 정리가 되는데요.


첫 번째는 주행 중 외부의 충격으로 발생된 화재입니다.

전 이중 테슬라 자동차에 대해 말씀드리고 싶습니다. 2013년도에 미국에서 발생된 사례인데요.

테슬라 자동차는 차 바닥에 수천 개의 리튬이온배터리가 장착되어 있고 이 사이를 냉각 파이프가 지나갑니다.

주행을 할 때 배터리의 방전으로 온도가 올라가고 이를 냉각하기 위함입니다.

당시 차량이 주행 중 도로 위의 금속 파편이 냉각 파이프를 타격해서 냉매액이 외부로 누설되었습니다.

당연히 배터리의 온도가 상승하여 화재로 연결되었습니다.


두 번째는 배터리의 과충전입니다.

스마트폰 배터리를 충전할 때 충전기와 스마트폰은 만져본 적 있으시죠? 맞습니다. 둘 다 따뜻합니다.

전기자동차 역시 마찬가지입니다. 충방전 시에 온도 상승은 당연하데요.

기준보다 높게 과충전 되면 배터리의 온도가 비정상적으로 높게 올라가게 됩니다.

특히 상품성을 높이기 위해서 최대한 얇고, 가볍고, 에너지밀도가 높게 만들고 있는데요. 과충전 발생 시 화재로 연결이 되기 쉽습니다.

이를 막기 위해서 배터리를 제어하는 BMU라는 컴퓨터가 들어갑니다.

배터리에 온도를 측정하여 높으면 충전 전류를 낮추거나 차단합니다. 또한 냉각시스템을 작동시켜 배터리의 온도를 떨어뜨립니다.

하지만 이러한 장치가 제대로 작동하게 되지 않으면 배터리에 지속적으로 높은 전기가 보내지게 됩니다.

처음에는 전해질의 온도가 상승하여 양극과 음극이 분해가 되고 분리막까지 녹아 화재로 번집니다.


세 번째는 배터리를 잘못 만들어서입니다.

배터리를 제조할 때 내부에 불순물이 들어가게 된 경우입니다.

앞서 말씀드린 배터리 내부의 물질 이외에 불순물이 들어가게 되면 시간이 지남에 따라 비정상적인 모양의 결정이 생기게 됩니다.

비유하면 인체의 암덩이 같은 존재입니다. 문제는 이 녀석이 배터리의 양극과 음극에 양다리를 걸치는 경우입니다.

이렇게 되면 어떠한 사태가 일어날까요?

비유를 해보겠습니다. 철사를 구부려서 집에 있는 220V 콘센트에 꼽는 것과 마찬가지 현상이 일어납니다.

양극과 음극이 직접 맞나 다량의 전류가 쏟아지면서 열과 함께 스파크, 화재가 발생됩니다.

우리는 이러한 현상을 열폭주라고 부릅니다. 이 과정에서 배터리 내부의 전해액은 끓게 되고 가스가 발생되어 폭발하게 됩니다.

이외에도 배터리의 음극탭이 변형되어 리튬 부산물이 발생하여 양극으로 확산하여 단락이 발생된 경우도 예를 들 수 있습니다.

3. 리튬 배터리 화재 시 대처법

만약 리튬 배터리에 화재가 발생한다면 어떻게 할까요?

정답은 피해야 합니다.빠르게 피해야 합니다.

왜냐고요? 앞서 설명드린 대로 리튬 배터리는 물과 만나면 오히려 반응이 활발해지기 때문입니다.

어설프게 불을 끄겠다고 물을 끼얹으면 안 됩니다.

물론 알맞은 소화기가 있어 바로 대응이 가능하다면 모르겠습니다만, 리튬은 한번 발화되면 쉽게 꺼지지도 않습니다.

화재 발생 시 소방서에서 액체를 분사하는 것은 소화보다는 반응 온도를 떨어뜨리는 목적이 더 높습니다.

그렇다면전기자동차가 사고 발생 초기에 어떻게 하면 될까요?

우선 자동차 창문과 문을 모두 열어야 합니다.

리튬 배터리에서 방출되는 연기, 가스가 차 실내에 가득 차게 되면 팽창으로 급격한 폭발이 일어 날 수 있습니다.

따라서 이 가스가 외부로 바로 방출될 수 있도록 환기를 해주어야 합니다.

한편 리튬 배터리는 일반적으로 과열 징후 시 틱-틱- 하는 독특한 소음이 발생됩니다.

이러한 소음 발생 시 내 차의 배터리에 문제가 있음을 의심해야 합니다.

또한 손상된 배터리는 절대 손으로 만져서는 안됩니다. 화상이나 폭발의 위험이 있기 때문입니다.

4. 리튬 배터리의 전망

앞서 말씀드린 대로 전기자동차 리튬 배터리는 화재 문제로 골칫거리입니다.

희소식은 전고체 배터리의 개발입니다. 화재의 주요 원인인 전해질을 고체 형태로 만들었습니다.

열을 받아도 부글부글 끓을 일이 없습니다. 고체니까요. 에너지 밀도도 훨씬 높답니다.

이 기술은 도요타가 가장 앞서있습니다. 이르면 2025년도에 상용화가 가능하다고 합니다.

삼성SDI도 맹추격하고 있습니다.

5. 결론

지금까지 전기자동차 배터리에 대해 말씀드렸습니다.

내연기관 보다 가격도 비싸고 화재의 위험성도 있는데도 왜 자꾸만 전기자동차 보급을 할까요?

그것은 탄소 배출로 인한 지구 온난화 때문입니다. 요즘 한창 떠들썩한 저탄소 정책이 바로 그것입니다.

내연기관은 피스톤의 직선운동을 다시 회전운동으로 바꾸어 타이어에 전달하는 반면,

모터는 회전운동을 바퀴로 보내면 바로 동작함으로 효율에서 좋습니다.

결국 연료를 조금만 써도 자동차가 움직입니다. 물론 탄화수소 기반의 휘발유나 경유를 안 쓰는 것도 그 이유 중에 하나입니다.

어서 빨리 안전한 배터리가 개발되어 친구들과 맑은 하늘 아래서 소풍을 떠나면 좋을 것 같습니다.

[설레임]

좋은 정보 감사합니다..