전기차 배터리 종류

 

전기차 배터리 화재

전기차의 배터리는 리튬이온전지를 많이 사용합니다.

이런 종류의 2차전지는 배터리 셀의 내부 물질이 공기에 노출되거나 단락, 고온에 노출되면 화재나 폭발 현상이 발생하게 됩니다.

그래서 전기차는 충돌사고, 충전 중 화재 발생에 주의해야 합니다.

전기차 화재의 원인 차량사고에 의한 화재 전기차가 사고 나면 전기차 부품 중 배터리에 셀 하나라도 표면이 찢어지거나 파면에 찍히면 발화, 폭발 현상이 발생합니다. 충전 중 화재 리튬이온 배터리는 셀 자체에 보호회로가 없기 때문에 배터리 셀의 전압, 전류를 관리할 수 있는 BMS(Battery Management System, 배터리관리시스템)가 필요합니다. BMS는 과충전, 과방전을 방지하고, 셀밸런싱(여러 배터리셀간의 전압을 균등하게 맞춰주는 기능)등 배터리의 충전과 방전 중 전압을 관리해주는 역할을 합니다. 리튬이온 배터리는 과충전이나 과방전하게 되면 배터리셀이 부풀거나 폭발 현상이 발생합니다. 일정 수준의 전압(3.7v)를 유지해줘야 배터리의 손상을 방지할 수 있습니다. 이런 리튬이온 배터리의 전압관리를 담당하는 부품이 BMS입니다. BMS가 불량이거나 저가형 부품, 낮은 품질의 제품을 사용하면 전기차 배터리의 충전 중 또는 주행 중 화재, 폭발 원인이 됩니다.

전기차 화재 문제는 ‘열폭주 현상’에 의해 발생합니다. 배터리 셀 한 개에 불이 붙으면 주변 수백 개 셀에 연쇄 발화 되며, 내부 온도 1000도까지 급상승합니다.

전기차 배터리는 철제 케이스에 싸여 있어서 일반 소화액이 침투하지 못해서 화재 진압이 쉽지 않습니다. 전기차의 화재가 발생하면 진압 시간은 3시간 정도 걸리고 1만~10만 리터의 물이 필요하다고 합니다.

그래서 대안으로 생긴 진압 방법은 소화덮개를 덮어서 산소를 차단하여 불을 끄는 방법, 이동식 수조를 설치해 차체를 물에 담그는 방법 등이 있습니다.

전기차 화재를 예방할 수 있는 방법은 충전율을 85%로 낮추고 급속충전보다는 완속충전을 하면 전기차의 충전 중 화재 예방에 도움이 됩니다.

 

 

배터리 개념

 

1차전지

일반적으로 가정이나 소형 전자제품에 사용되는 건전지가 1차 전지입니다.

망간건전지, 알카라인전지가 많이 쓰입니다. 일반적인 소형 건전지는 1.5v의 전압을 내며, 1회 사용(방전)후 재사용하지 못합니다.

사용 후 버릴 때는 불에 버리면 안 되며, 전지에 표기되어 있는 지시대로 주의하여 버려야 합니다.

국내에서는 ‘비츠로셀’ 이라는 업체가 1차전지를 생산하고 있습니다.

 

2차전지

2차전지는 충, 방전이 가능한 배터리입니다.

2차전지의 종류 – 납산전지, 니켈카드늄 전지, 리튬이온 전지

이전에는 납축전지, 니켈카드늄 전지를 많이 썼지만 최근에는 리튬이온 전지를 많이 사용합니다.

휴대폰이나 전기차, 드론, 기타 휴대 전자기기에는 대부분 리튬이온 전지를 사용합니다.

초기의 2차전지 시장은 친환경 에너지(태양광, 풍력 등)로 생산된 전기를 저장하는 용도의 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)과 휴대폰, 노트북, 드론 등의 IT기기에 사용되었습니다.

이후 전기자동차가 생산되기 시작하면서 지금은 전기차 사용이 높은 비중을 차지합니다.

 

 

셀(cell)은 배터리의 가장 작은 단위입니다.

한 셀은 음극, 양극, 전해질, 분리막의 4가지 요소로 이루어집니다.

양극은 리튬과 산소가 결합한 리튬 산화물로 구성되며, 음극은 천연 흑연으로 구성되고, 분리막은 양극, 음극 간의 리튬이온만 통과할 수 있도록 하는 역할을 합니다. 양극, 음극 사이에는 전해액으로 채워져 있습니다.

 

3차전지(연료전지)

3차전지는 별도의 연료를 넣어 전기를 만드는 전지입니다.

연료를 전기에너지로 변환하여 전기를 사용합니다.

일반적인 연료전지는 ‘수소연료전지’가 있습니다.

연료 내의 수소와 공기 중의 산소가 결합하여 전기를 생산하는 방식입니다.

발전 효율이 높고 친환경적 이므로 미래의 에너지원으로 주목받습니다.

 

 

배터리의 종류, 배터리 성분

LFP(리튬인산철 배터리)

성분: 리튬, 인산, 철

특징: 무겁고 에너지 밀도 낮습니다, 밀도가 낮기 때문에 충전 량이 적어 전기차에 사용했을 때 주행거리가 짧습니다, 대신 화재에 대한 안정성은 높습니다. LFP배터리는 가격이 저렴하며, 중국 전기차에 많이 쓰입니다. 안정성이 높기 때문에 중국의 배터리 제조회사 CATL등의 회사들은 LFP배터리를 사용한 셀투팩,셀투바디 방식의 전기차 생산을 연구하고 있습니다.

 

NCM(삼원계배터리, 니켈코발트망간 배터리)

성분: 니켈, 코발트, 망간

특징: LG화학에서 주로 생산합니다. 에너지 밀도가 높습니다. 에너지 밀도가 높기 때문에 LFP배터리와 반대로 전기차의 주행거리가 길고, 화재로부터 안정성이 떨어집니다. 그래서 화재를 예방할 수 있는 기술이 필요합니다.

한국의 배터리 회사들은 NCM배터리를 많이 제작합니다. 안정성을 줄이고 화재의 위험을 잡아내는 기술경쟁력이 전기차 생산의 기술력이라고 할 수 있겠습니다.

테슬라의 원통형 배터리에도 NCM배터리가 사용됩니다.

NCM배터리의 성분 중 코발트는 배터리의 안정성에 영향이 있고, 니켈은 에너지의 밀도를 높여주는 역할을 하기 때문에 코발트와 니켈의 함량을 조절하여 안정성과 밀도를 조절합니다.

NCM622, NCM811등으로 각 원소의 함량 비율을 표기합니다.

이중 코발트는 분쟁광물 이기 때문에 코발트를 뺀 하이니켈 배터리를 차세대 배터리로 배터리 제조 회사들이 개발 중입니다.

 

NCA (니켈코발트알루미늄 배터리)

성분: 니켈, 코발트, 알루미늄

특징: 삼성SDI에서 주로 생산하며, 테슬라에서도 NCA양극재 배터리를 전기차에 많이 사용합니다. 망간 대신 알루미늄을 양극재로 사용하였습니다. 에너지 밀도가 높고 출력이 높습니다. 소형전지중 전동공구용에 많이 쓰이고, 주로 원통형 배터리에 양극재로 사용됩니다.

망간대신 알루미늄을 사용해 출력이 높고 니켈 함량도 높일 수 있습니다.

 

차세대 배터리

전고체배터리- 에너지 밀도를 높이면서 안정성도 높일 수 있는 배터리, 전해질을 액체가 아닌 고체로 사용하여 고체전해질이 분리막의 역할까지 하여 분리막의 부품이 줄어들고 배터리 에너지 밀도를 높일수 있습니다.

리튬황배터리 – 양극에 황, 음극에 리튬이 있는 배터리, 저렴하고 가벼운 황을 재료로 하기 때문에 배터리의 무게가 가볍습니다. LG에너지솔루션에서 개발 중입니다.

차량에 사용했을 때 가볍고 저렴한 전기차 생산이 가능합니다.

리튬에어 배터리 – 전극으로 산소를 쓰고 에너지 밀도가 10배 높습니다.

 

전기차에 사용되는 배터리의 종류

전기차의 배터리 단위는 셀, 모듈, 팩으로 구성됩니다.

Cell(셀) – 배터리 단독

Module(모듈) - cell을4개~12개정도 모아서 모듈을 구성합니다.

Pack(팩) – 모듈을 4개,8개,12개를 모아서 BMS(배터리관리시스템)와 냉각장치를 추가한 것이 ‘배터리팩’이며, 차량에 장착할 수 있는 단계입니다

셀을 모아서 모듈을 만들고, 모듈을 모아서 팩을 만들어서 차량에 장착하는 방식이 일반적이지만 이후에는 모듈공정을 빼고 셀을 모아서 배터리팩을 구성하는 방식(셀투팩)도 연구 중입니다.

이 방식은 에너지 밀도를 높이고 전기차의 주행거리를 높이는 장점이 있습니다.

또한 셀을 자동차 프레임에 직접 적재하여 밀도, 부피, 무게에 개선된 기술인 ‘셀투바디’,’셀투카’방식도 연구 진행 중입니다.

 

 

 

이러한 배터리에는 대부분 원형, 파우치형, 각형 배터리가 많이 사용되는데요 종류별 특징은 다음과 같습니다. 각 형태별 배터리는 음극, 양극, 전해질, 분리막 구조의 2차전지 방식은 같지만 셀의 형상(모양)에 따라 크게 원형, 파우치형, 각형 세가지로 구분됩니다. 에너지 밀도나 배터리의 성능은 배터리 안의 전극에 따라 다르며, 배터리의 형상은 배터리의 성능에 절대적인 영향을 미치지는 않습니다.

 

원통형(Cylindrical Cell)

원통안에 전극을 돌돌 말아 넣은 배터리입니다. 전기차개발에 초기 진출한 테슬라가 차량에 적용한 배터리입니다. 우수한 배터리관리시스템(BMS)설계로 전기차에 사용 중입니다.

생산성이 높으며(대량생산, 낮은 생산비용), 공간활용도는 낮습니다. 발열 발생에 대한 문제점이 있습니다.

주로 LG에너지솔루션, 삼성SDI에서 생산합니다.

 

파우치형(Polymer Cell)

납작한 주머니에 전극을 넣은 배터리로 표면은 상대적으로 내구성이 약합니다.

에너지 밀도가 높아 공간활용도가 높으며 발열에 취약합니다.

주로 LG에너지솔루션, SK온(SK이노베이션)에서 생산합니다.

 

각형(Prismatic Cell)

네모난 철제 케이스에 전극을 넣은 배터리입니다. 원통형에 비해 열관리가 쉽습니다.

내구성이 강하며, 에너지 밀도가 낮아 전기차 사용시 주행거리가 짧습니다.

주로 삼성SDI에서 생산합니다.

 

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전기차의 종류

 

BEV (Battery Electric Vehicle, 순수전기차, 배터리 전기차)

배터리 용량: 70~80KWh

내연기관 엔진이 없으며 순수 전기모터로만 움직이는 자동차입니다. 전기차 충전소에서 배터리를 충전해야 차량 주행이 가능합니다.

 

HEV (Hybrid Electric Vehicle, 엔진이 함께 달린 하이브리드)

배터리 용량: 1.5KWh

내연기관 엔진과 전기모터를 이용해 구동되는 자동차입니다. 배터리만 별도 충전할 수 없으며 내연기관 엔진으로 주행하면서 자체 발전기로 배터리를 충전하여 전기모터로 주행할 수 있는 자동차입니다.

 

PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 엔진이 함께 달린 충전이 가능한 전기차)

배터리 용량: 15KWh

내연기관 엔진과 전기모터 둘 다 사용할 수 있는 자동차입니다. HEV보다 많은 배터리 용량을 사용합니다. HEV와 다른 점은 휘발유만 주유할 수 있는 것이 아니고 휘발유, 배터리충전 둘 다 가능합니다.

 

FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle, 연료전지자동차, 연료전지차)

연료전지의 에너지로 전기모터를 구동하여 주행하는 자동차입니다.

대표적으로 수소자동차(수소전지차, 수소연료전지자동차)가 있습니다. 연료전지에서 수소와 산소가 서로 화학 반응하여 전기를 발생시키는 원리로 전기를 생산하여 전기모터를 구동합니다.

 

  

   이미지 출처 – 삼성SDI, 현대자동차