BMW 전기차 i7·i4에 탑재되는 각형 배터리..외부 충격과 열에 강한 이유는?

[삼성SDI 제공, 정리=데일리카 하영선 기자] 각형 배터리는 외부 충격과 열에 강하다는 평가를 받습니다. 알루미늄을 외장으로 사용한 캔 모양의 배터리로 직사각형 형태죠. 각형 배터리는 원통형 배터리에 비해 두껍고 파우치형에 비해 외부 충격에 강한 특징이 있습니다.

요즘 각형 배터리 하면 전기자동차에 들어가는 배터리를 쉽게 떠올릴 텐데요. 사실 처음 등장했을 때는 핸드폰용으로 만들어져 전기자동차에 탑재되는 배터리보다 훨씬 작았습니다.

각형 배터리가 핸드폰의 슬림화를 이끈 주역이었다는 사실을 아시나요? 핸드폰이 처음 등장했을 때만 해도 벽돌폰이라 불릴 정도로 크기가 매우 컸습니다. 기술의 발전에 따라 한 손에 들어갈 정도로 점차 크기가 작아졌는데요. 그 속에는 배터리의 발전도 있습니다.

하지만 더욱더 슬림한 디자인을 강조하는 스마트 기기의 등장과 함께 각형 배터리의 인기도 점차 사그라들었습니다. 대표적으로 스마트폰의 등장은 각형 배터리에 큰 타격을 주었는데요.

배터리를 뺏다 꽂았다 하는 휴대폰보다 하나의 배터리를 쓰지만 디자인이 우수하고 방수 방진 성능을 갖춘 스마트폰 수요가 요구가 강해지면서 파우치형 배터리에 대한 선호도가 높아졌기 때문이죠.파우치형 배터리는 각형 배터리 보다 얇게 만들 수 있는 것이 특이이거든요.

그렇다면 이제 각형 배터리는 인기가 없을까요? 아니요. 그렇지 않습니다. 각형 배터리는 전기자동차용으로 변모해 과거의 영광을 되찾고 전성기를 누리고 있습니다.

전기자동차용 배터리는 안전을 최우선으로 합니다. 배터리가 발화되는 가장 큰 원인은 외부 충격입니다. 큰 사고가 나면 분리막을 뚫고 양극과 음극이 직접 만나 강한 에너지가 발생하는데요. 배터리 소재를 아무리 잘 만들어도 사실 외부에서 충격이 가해지면 배터리의 구조적 안정성이 무너질 수 있기 때문입니다.

외부 충격이나 과열, 과충전 등이 발생하면 배터리 내부에서 양극과 음극이 접촉하는 단락이 발생해 화재가 일어날 위험이 높습니다. 이럴 경우 배터리 내부 온도가 상승하게 되고, 그 열이 배터리 셀, 모듈, 팩으로 전이되어 화재로 이어질 수 있죠.

배터리 내부의 양극, 음극, 분리막, 전해질 각 소재들을 잘 만든다 하더라도 물리적인 문제가 생겼을 때도 대비를 해야하는데요. 예상치 못한 외부 충격을 받더라도 안정적인 상태를 유지하기 위해 배터리에는 각종 안전장치들이 필요합니다.

삼성SDI 각형 배터리의 가장 큰 특징은 알루미늄 캔 타입의 외관 구조를 가지고 있어 내구성이 뛰어나고, 안전성이 높다는 점입니다.

단단한 알루미늄 케이스 덕분에 외부 충격에 강해 셀 내부의 전해질 누출이나 내부 단락의 가능성이 낮습니다.또 내부에 열이 발생하더라도 열전도도가 좋은 알루미늄 소재를 통해 배터리 내부의 열을 더 빨리 방출시킵니다.

또 삼성SDI의 각형 배터리에는 안전성 강화를 위한 설계 기술들이 적용되어 있습니다. 외부 요인으로 과충전, 과전류가 발생하여 배터리 내부의 온도와 압력이 증가했을 때, 가스를 방출할 수 있도록 설계된 ‘벤트(vent)’가 대표적입니다.

가스 방출을 통해 배터리 폭발을 막고 열기가 배출되는 통로가 벤트로 정해져 있기 때문에 모듈과 팩 설계 시 이를 반영해 화재 확산을 막을 수 있습니다.

삼성SDI는 자체 개발한 첨단 안전성 기술인 ‘No TP(No Thermal Propagation, 열전파 차단)’를 각형 배터리에 적용하고 있습니다. ‘No-TP’는 배터리 제품의 특정 셀에 문제가 발생했을 때 각종 안전장치를 통해 열이 전파되는 것을 막아주는 기술입니다.

외부 충격이나 과열, 과충전 등이 발생하면 배터리 내부에서 양극과 음극이 접촉하는 단락이 발생해 화재가 일어날 위험이 높습니다. 이럴 경우,배터리 내부 온도가 상승하게 되고, 그 열이 배터리 셀, 모듈, 팩으로 전이되어 화재로 이어질 수 있죠.

셀과 모듈, 팩 내 열전파를 방지하는 No TP는 배터리의 상품 기획 단계부터 안전성을 고려하여 설계하는 기술입니다. 삼성SDI는 이를 위해 셀의 총 발열량을 토대로 셀 사이사이에 단열재를 배치했습니다. 특정 셀의 온도가 상승했을 때, 인접 셀로 열이 전달되는 것을 물리적으로 막기 위함이죠.

이를 가능케 한 것은 삼성SDI만의 독자적인 열전파 성능 예측 프로그램입니다. 이 프로그램은 열전파를 방지하는 최적의 셀 용량 기준, 모듈의 사이즈와 팩의 상하부 구조를 디자인할 수 있으며, 최상의 라이프 사이클을 달성해 팩의 수명도 늘릴 수 있습니다.

[삼성SDI 제공]