[사이언스 온고지신]초안전 배터리팩 개발로 전기차 화재사고는 관리될 수 있다

김경수 KAIST 교수(교원창업기업 퓨처이브이 대표)

잦은 배터리 화재사고가 사회적으로 큰 이슈다. 전기차, 에너지저장장치(ESS), 전동 킥보드 등 리튬계열 배터리를 사용하는 다양한 장치들의 화재다. 큰 피해를 준 인천 전기차 화재는 배터리의 잠재적 위험성과 전기차에 대한 막연한 불안감을 증폭시켰다.

중국산 배터리 탓에서 시작해 급기야 충전율 제한 논쟁까지 번지고 있다. 국내 한 자동차 회사는 배터리관리시스템(BMS) 기술 덕에 단 한 건의 화재사고도 나지 않았다고 했지만, 곧이어 발표된 여러 기사에는 국산 전기차 화재사고가 단연 압도적이다. 전기차를 바라보는 일반 국민들은 혼란스럽기만 할 뿐이다.

관리될 수 있는 위험은 위험이 아니다. 작은 공간에 큰 에너지를 가두는 리튬계열 배터리는 구조적으로 열폭주 위험성이 존재한다.

높은 전력밀도와 구조적 안정성은 설계 측면에서 상충되지만, 공학적 설계를 통해 위험을 관리할 수 있는 수준까지 안전성을 확보한 기술이 지금 리튬계열 배터리다. 허용조건 내에서 배터리를 사용하는 것이 안전한 전기차를 위한 핵심 방책인 셈이다.

배터리 열폭주 원인으로는 크게 두가지를 볼 수 있다. 배터리셀 파손과 과충전이다. 배터리셀 파손에는 생산 공정상 분리막 불량, 충격에 의한 파손, 덴드라이트 성장에 따른 분리막 손상 등의 경우다.

과방전은 덴드라이트 성장을 가속시켜 배터리 수명을 빠르게 단축시킨다. 또 충방전 싸이클이 누적될 수록 배터리 노화가 진행되니, 배터리셀 건강상태(SOH: Sate of Health)에 따라 배터리 손상 가능성은 점진적으로 높아진다.

과충전은 배터리셀이 저장할 수 있는 최대 용량을 넘어 충전할 경우 과열로 인한 열폭주로 이어질 수 있다. 충전 후 배터리 과열 및 열폭주도 주목해야 한다. 충전 후 병렬 연결된 배터리셀 사이에는 충전량(SOC: State of Charge) 불균형 해소를 위해 내부 전류흐름이 상당 시간 지속돼 추가적인 온도 상승을 유발한다. 이런 '자가균등화(Self-Balancing)' 현상은 노화 배터리셀에서 더욱 중요한 문제다.

결론적으로 과충전과 과방전을 방지하고 SOH를 판단해 교환시기를 정해야 하며, 설령 몇개 셀에서 열폭주가 발생해도 전체 배터리셀의 열폭주로 확산되지 않는 냉각구조가 필수다. BMS는 과충전·과방전을 방지하고 SOH를 판별하는 핵심기능을 담당한다. 이를 위해 배터리셀 SOC를 정확히 알아야 한다.

아쉽게도 SOC를 직접 측정할 수 없으며 전류, 전압 그리고 온도를 측정해 간접적으로 추정할 수밖에 없다. 이는 BMS의 가장 어려운 기술로 SOC 추정 정확도는 배터리 운영 핵심이다.

더욱이 전기차 및 ESS는 수백·수천개 배터리셀을 직렬·병렬로 연결해 사용하다 보니, 각각의 직렬단위의 배터리셀 SOC를 정확히 추정하는 것은 더욱 어렵다. SOC 추정 과정에서 배터리셀 저항과 정전용량 변화를 계산하는데, 이들 값은 SOH를 추정하는 데 중요한 인자다. 결국 BMS의 핵심은 '정확한 SOC 추정 알고리즘'이다.

국내외 배터리 제조사 및 자동차회사들이 배터리팩과 BMS에 대한 수 많은 특허를 보유하고 있지만, 정작 가장 핵심인 SOC 추정 관련 특허나 연구논문 비율은 높지 않다. BMS에 대한 지속적인 연구개발이 필요한 이유다.

BMS의 벽을 넘고 나면, 이제 남은 문제는 최악에 대비하는 시스템, 즉 몇 개 셀의 열폭주가 전체로 확산되지 않는 냉각시스템 적용이다. 조만간 이런 기술은 널리 적용이 될 것으로 판단하고 있다.

필자가 맡고 있는 한국과학기술원(KAIST) 차세대ESS연구센터에서 퓨처이브이와 협업하며 얻은 연구결과에 의하면, 정교한 BMS 알고리즘과 차세대 냉각시스템 적용으로 초안전 배터리팩 개발은 충분히 가능하다.

세계 각국은 전기차 인프라 및 산업 생태계 조성을 위해 막대한 투자와 정책적 노력을 하고 있다. 배터리 화재 사건들은 분명히 관리될 수 있는 위험 요소일 뿐이다. 우리나라의 전기차 정책이 세계 동향에서 이탈하지 않도록 모두가 노력할 때다.

김경수 한국과학기술원(KAIST) 교수 kyungsookim@kaist.ac.kr

김영준 기자 kyj85@etnews.com