최근의 배터리 화재로 인한 리콜사태를 바라보며 사람들의 전기차에 대한 부정적인 이미지를 심어주었다.
그렇다면 전기차의 성장에 가장 문제는 안전... 그 중에서도 화재로 불안을 안고 살아야 하는가!!
일단, 전기차에 장착되는 배터리는 크게 3가지로 구분된다.
국내 기업들이 주로 파우치형을 만들다보니 파우치형이 전세계 점유율이 높을 것으로 보이지만, 실상은 각형이 50% 내외의 점유율을 차지하고 있고, 그 다음이 파우치와 원통형으로 되어 있다.
사실 무엇을 선호하느냐 보다는 현재의 전기차 시장의 구조적인 부분으로 중국은 주로 각형, 테슬라는 원통형 이외는 대부분 파우치형과 일부 각형을 사용하고 있는데, 현재 전기차의 보급이 가장 활발한 곳이 중국이다보니 각형의 비중이 높게 나타나고 있지만, 2025년 이후에는 파우치형이 45%정도 예상하는 곳도 있다.
배터리는 과연 안전할까... 어떤 배터리가 결국 시장을 이끌어 나갈것인지 안전 관점에서 접근해 본다.
1. 배터리 원가
사실 배터리 제조원가로 볼 경우 파우치형이 가장 높을 것이다. 기술력도 높기도 하지만, 기본적으로 셀 단독으로 사용할 수 없는 한계를 가지고 있기 때문이다. 위에서도 언급되어 있지만 파우치형은 밀집도가 높은 대신 안전성은 낮다.
셀기준으로 각형과 원통형은 일정한 형태를 가지고 있다. 하지만 파우치형은 변형이 가능한 구조 특히나 내연기관을 전기차로 변형할 때 가장 유용하게 사용할 수 있다. 파우치 셀자체가 형태를 가지고 있지 않아서 팩/모듈로 원하는 형태로 만들어서 셀을 넣을 수 있다는 점에서 기존의 자동차 업체들이 전기차 플랫폼이 나오기 전까지 활용한 것으로 보여진다.
하지만 원가측면으로 보면 파우치형이 가장 높게 형성된다. 여기서 중요한 점은 셀의 가격을 의미하는 것보다는 차량에 탑재되는 팩기준으로 보는 것이 합당하다. 파우치형은 독립적으로 활용되지 못하고 모듈과 팩으로 구성이 되어야 차량에 탑재될 수 있기 때문이다. 외부 충격에 약하기도 하고 얇은 막으로 둘러쌓여서 안정성도 낮기 때문에 셀을 보호하는 모듈과 팩에 공을 많이 들이게 된다.
결국 이런 문제로 원가증가요소로 작용하게 되고, 그것을 만회하게 위헤서 고함량 니켈구조의 배터리를 통해서 밀도를 높여서 주행거리를 증가시키는 쪽으로 배터리의 개발이 진행되어 왔다. 그래서 동일 Km미터 단위로 볼 경우 원가 경쟁요소를 확보할 수 있으나, 니켈의 증가, 밀도의 증가로 인한 비용증가, 관리요소 증가 등이 추가됨에 따라서 각형과의 원가경쟁에서 멀어지는 구조라 할 수 있다.
반면 각형은 최근에 팩과 모듈을 없애고 셀을 바로 장착하는 기술들이 개발됨에 따라서 점점 원가의 격차는 벌어지고 있는 상황이다.
2. 배터리 유지보수
현재의 전기차 대부분은 이 문제에 대해서 명확한 답을 내놓지 못한다. 특히나 파우치형의 경우는 더더욱 유지보수 자체에 대한 어려움을 내포하고 있다.
전기차의 배터리에 이상이 생기는 경우 현재는 개별 사업소에서 점검이 거의 불가하다. 그냥 진단기로 이상유무를 보는 수준이고 그것을 실제 분석하기 위해서 분해하는 것은 완전히 다른 문제다. 특히 파우치형의 경우는 셀단위 접근은 불가하고 모듈단위의 점검을 통해서 이상이 발생된 모듈을 교체하는 정도이다.
반면에 각형의 경우 기존의 셀-모듈-팩의 구조를 벗어나서 Cell to Pack, Cell to Car 형태로의 구조가 가능하다. 즉, 모듈을 건너뛰거나 아에 팩도 없이 차에 셀을 바로 장착하는 것이다. 이렇게 될 경우 셀단위 관리가 가능하게 되고 문제가 발생하는 경우 해당 셀만 교체가 가능하게 되므로 유지보수 측면에서는 훨씬 효율적일 수 있다. 또한 모듈이나 팩으로 된 경우 별도의 분해를 위해서 소요되는 다양한 문제들에서 벗어날 수 있다는 점에서도 구조적 강점을 가지고 있다.
유지보수의 용이성은 조립산업의 자동차에 있어서 가장 중요한 요소이다. 배터리 이상이 발생하게 되면 파우치형의 전기차는 전용 자동차 정비소에 들어간 다음 다시 팩/모듈 제조사 또는 배터리 제조사에 해당 문제를 점검하게 하고 그 다음에 문제가 발생된 배터리에 대해서 팩 또는 모듈을 교체하여 고객에게 납품하는 구조이다. 반면 각형은 앞에서 언급했듯이 어쩌면 소규모 자동차 정비소에서도 대응이 가능할 수 있는 여지가 존재한다는 점에서 분명 이점으로 작용한다.
3. 배터리 화재
현재 배터리 화재의 대부분은 파우치형이다. 간혹 원통형에서도 화재가 발생하기는 하지만, 자연발화보다는 외부충격에 의한 화재가 대부분이고 자연발화 또는 정차중 발화는 파우치형에서 자주 발생하고 있다. 아직 각형의 경우 화재에 대해서 파우치형보다는 안전성은 입증된 상태다.
파우치 배터리는 NCM 중심으로 에너지 밀도를 높이고 있다. NCM 8,1,1 또는 NCM 9,1/2,1/2으로 니켈함량을 80%~90%까지 늘려서 각형보다는 높은 주행거리를 제공할 수 있다. 하지만 반대로 말하면 화재에 더욱더 취약할 수 밖에 없다. 니켈함량이 높아진다는 점은 원가도 증가하지만 안정성은 반대로 낮아지는 문제가 생긴다. 결국 화재에 취약하게 된다.
에너지 밀도가 증가한다는 것은 배터리 내부의 열도 그만큼 높아진다는 것이고 그것에 따라서 배터리의 열관리를 위한 공조기능이 중요해지게 된다. 1회 충전으로 긴거리를 갈 수 있다는 장점이 존재하지만 그만큼 안전은 더 낮아지는 역설적인 상황이 된다.
전기차의 최대 문제는 충전과 주행거리다. 하지만 최근에 잇다른 화재와 리콜로 인해서 이런 인식의 변화가 생기고 있다. 긴 주행거리를 포기하고 대신에 자주 충전해도 화재로부터 안전한 배터리를 선호하는 현상이 나타나고 있다는 점이다.
이미 몇몇 기업들은 기존 파우치에서 각형으로 전환하는 것을 적극적으로 검토하고 있고, SK On의 경우도 파우치만 생산하는 것에서 벗어나서 각형도 추가적으로 검토하기 시작한 것도 이런 사회적 흐름이 반영된 것이라 할 수 있다.
배터리의 화재는 일반화재와는 다르다. 쉽게 진화도 되지 않을 뿐더러 열에 취약한 구조로 되어 있어서 대규모 화재로 전환될 수 있는 심각한 위협요소이다. 그만큼 이제는 전기차를 바라보는 시각이 달라지고 있는 것이다.
4. DOD와 충전의 안전성
DOD(Depth of discharge)란 방전깊이라고 하는데 흔히들 SOC로 아는 충전용량과 반대개념이다. 그런데 이 개념이 사용하게 된 것은 SOC는 사용자가 보는 정보이고 DOD는 제조사가 보는 정보라고 생각하면 된다. 사실 우리가 전기차를 구매하게 될 경우 SOC 100%로 보여지지만 실제 용량은 그보다 클 수 있다. 예를 들어 50kWh의 배터리의 SOC로 알고 있지만 실제 차량에 장착된 것은 그 이상인 55kWh이다. 즉, 실제 충전가능한 용량을 일정부분 제한하는 것으로 DOD로 표시를 많이 한다. 그래서 SOC 100%, DOD 95% 이런 식으로 표기를 한다.
전기차 배터리에 대해서 잘 모르는 사람들의 경우 DOD의 개념이 생소할 수 있는데 제조사 입장에서 관리하는 단위로 충전제한선을 의미하기 때문이다. 왜 DOD를 설정하고 배터리의 총 용량만큼 사용하는 것을 제한할까!!!
배터리의 안정성을 위협하는 것은 다양할 수 있지만 가장 큰 위협요소는 100% 완충이다!!. 다들 완충을 한다고 하지만, 실제 전기차에 있어서 완충만큼 위험한 것도 없다. 완충을 하게 될 경우 화재 위험성이 더 높아지는 진다. 그래서 사용자의 완충은 제조사 입장에서는 90%~95% 이내로 하도록 하기 위해 DOD를 제한을 하는 것이다. 최근 전기차 업체의 차량 중 화재가 발생하는 경우 가장 먼저 조정하는 것이 DOD일 만큼 화제에 민감한 것을 알 수 있다.
그래서 전기차는 적정구간 내에서 충전과 방전이 일어나도록 하는 것이 중요하다. 예를 들어 SOC 30%~80% 구간으로 충방전이 일어나는 것과 10%~90%의 구간에서 충방전이 일어나는 것은 차이가 크다. 특히나 급속충전의 경우 40% 내외의 충전과 60% 내외의 충전 시 베터리의 온도변화에도 차이가 발생한다.
하지만 여전히 사람들이 전기차를 사용하는 것에 대해서 이런 부분들에 대한 Guide를 해주지 못한다. 오히려 전기차 사용자들에게 충전의 불편함만 가중한다는 인식이 우려되어서 이런 부분들은 언급하지 않지만, 잘 보면 업체들의 홍보 문구에는 언급된다. 예를 들어 20%~80%까지의 급속충전을 20~30분 내외로 한다든지 하는 내용을 보면 그들은 절대 100%를 말하지 않기 때문이다.
전기차의 보급에 따라서 전기차의 판매중심적 사고에서 벗어날 필요가 있다. 전기차는 근본적으로 자동차의 보유방식, 운영, 유지보수가 다르기 때문이다. 또한 배터리의 성능을 어떻게 하면 더 오래 유지할 수 있는지도 판매차원이 아니라 관리차원의 이해가 필요한 상황이다.
이런 것들을 충분히 인지하게 하고 자신의 차량의 배터리 유형과 형태 그리고 그에 따른 사용방법 등을 보다 자세하고 지속적인 모니터링과 Guide를 해주는 것만으로도 배터리의 안정성을 높일 수 있다. 무분별하게 급속충전만을 강조하는 것이 아니라 자신의 사용형태에 맞는 충전 Guide를 할 수 있도록 한다면 내연기관 못지 않게 전기차를 활용함에 있어서 경제적, 사회적, 환경적인 이점을 확보할 수 있게 된다.
전기차의 강점을 어떻게 강화시키느냐는 이런 안정성 부분을 어떻게 해결하고, 그걸 사용하는 사용자들에게 전기차에 대한 인식을 전환시키는 것과, 분산충전 등을 통한 효율적 전기차 사용 Guide를 제시할 수 있을 때 보다 안전한 전기차 생활이 가능할 것이다.
