중대형 배터리 팩은 현대 사회에서 핵심 역할을 하는 기술 중 하나로, 전기 자동차(EV: Electric Vehicle) 및 전력용 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System) 등에 필요한 핵심 구성 요소 중 하나이다. 이 기고문에서는 EV와 ESS로 대표되는 중대형 배터리 팩 산업의 현재를 간단하게 리뷰하고, 전기선박, UAM(Urban Air Mobility), 잠수함, 지상방산용 등 신규 응용분야에 대한 전망 및 기술을 중점적으로 논의할 것이다.
중대형 배터리 팩 정의 및 현 시장
EV로 대표되는 전기추진체계에 요구되는 배터리 용량은 수십 kWh 에서 100kWh 이상이 필요하다. 또한, 전력용ESS는 수십~수백kWh 배터리 용량의 랙이 병렬로 다수 연결되어 최대 수백MWh까지 설치 되고 있다. 상기 특성을 만족시키기 위하여 다수의 배터리 셀과 이를 계층적으로 쌓아 올린 모듈(Module), 팩(Pack), 랙(Rack) 조립체 형태로 구성되어 있으며, 다양한 응용 분야별 고객 요구사항에 맞게 설계된다.
EV, ESS 배터리 팩의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 항목은 에너지 밀도와 가격이다. 또한, 반드시 확보해야 하는 성능 항목은 출력, 수명, 안전성이다. 여기서 셀은 출력, 밀도, 수명 등 기본 성능을 좌우하고, 팩은 전기 안전성, 화재 안전성 및 가혹 환경에서 신뢰성과 같은 요구 성능 및 부가 특성과 연관이 있다. 문제는 이 모든 항목을 동시에 최고 수준으로 만족하는 배터리를 개발하는 것이 현실적으로 쉽지 않다는 것이다. 이에, 배터리 업체들은 개발 철학과 전략에 따라서 원형/각형/파우치 등 셀 형태에 따른 단점을 보완하고 장점을 극대화하는 모듈/팩 설계를 진행 중이며, 이를 통하여 요구 성능과 목표가격을 만족할 수 있도록 개발을 추진하고 있다.
SNE 리서치에 따르면, EV에 사용되는 배터리 팩(셀 포함)의 글로벌 시장 규모는 2022년 750억 USD에서 2025년 1,590억 USD로 약 2.1배 성장할 것으로 예상하고 있다. 배터리 팩을 구성하는데 필요한 주요 부품의 시장 규모는 2022년 200억 USD에서 2025년 424억 USD로 약 2.1배 성장할 것으로 예상됐다. 또한 배터리 팩 가격에서 셀을 제외한 부분이 25~30% 수준이며 소재 경량화, 연결 부품 축소, CTP(Cell To Pack) 같은 module-less 기술 적용을 통해서 셀을 포함하는 팩의 kWh당 가격이 2025년에는 123USD/kWh로 떨어질 것으로 분석됐다. 또한 BNEF(’22.1월) 보고서에 의하면 EV에 못지 않게 ESS 시장규모도 2021년 110억 USD에서 2030년 2,620억 USD까지 성장하고, 설치 규모는 2021년 기준 62GWh이며, 연평균 36.5% 증가하여 2030년에는 1,028GWh 예상하고 있다.
중대형 배터리 팩 기술 개발이 갖는 의미
배터리 모듈 및 팩은 리튬이온전지 셀을 실제 사용 가능한 상태로 만들기 위하여 보호회로, 충방전 제어, 데이터 통신 등 기능을 갖추고 Case로 조립된 완성품이다. 한편 배터리 팩 부품은 BMS(Battery Management System), Power electronics, 와이어링 하네스, 커넥터, Cell간 구조물, 모듈 및 팩 하우징 그리고 열관리 부품들로 구성돼 있다. BMS의 SOC(State of Charge), SOH(State of Health) 등 알고리즘 관련 기술들은 점점 보편화되고 있는 반면, 시스템 기반의 요구사항 도출을 통한 하드웨어, 소프트웨어 개발 및 검증 수준이 핵심이 되고 있다. 또한 안전성 측면에서 BMS를 각 계층 별로 기능을 세분화하고 인터페이스 연결을 포함한 통합 시스템을 개발하고, 대용량에서의 국지적 안전성 확보 및 유연한운용이 가능하도록 하는 기술이 중요해 지고 있다. 이 외 최근에는 단락보호협조, 화재안전장치 등이 핵심기술로서 부각되고 있다.
중대형 배터리가 적용될 신산업(신규 응용분야) 전망 및 대응 노력
앞서 기술한 바와 같이, 탄소중립(CO2 감소)에 대한 정부 및 산업계 노력에 따라 모빌리티의 전동화가 EV를 중심으로 확대 되고 있으며, 전력용ESS 시장도 크게 확대 되고 있는 추세이다. 이에 EV와 ESS로 대표되는 지상 분야는 “성장기”에 이미 도달했다고 할 수 있다.
여기에 해양/항공/방산 분야에서도 전동화 동인들이 많이 발생하고 있다. 국제해사기구(IMO)의 황산화물, 질소산화물 규제 및 온실가스(CO2) 환경규제가 지속 강화 되고 있고, 국제항공관련 기관들도 2050년까지 탄소중립 달성을 합의 하고 있으며, 잠수함/지상방산 등 군용으로는 배터리의 저소음/저발열 특성으로 피탐 위험을 낮출 수 있기 때문에 해양, 항공, 방산 전 분야에 대한 전동화 모빌리티 사업이 신규 응용분야로서 “태동기”에 접어들고 있다.
앞서 EV 및 ESS의 배터리 팩 가격에서 셀을 제외한 부분이 25~30% 수준이라고 언급 하였다. 반면 신규 응용분야로 부상하고 있는 전기선박, UAM, 잠수함, 지상방산용에서는 배터리 팩 가격에서 셀을 제외한 부분이 60~65% 수준으로 높다. 이러한 특수목적용 신규 응용분야는 사고 시 인명피해와 직결되기 때문에 화재안전성이 보장 되어야 하고 고출력(High C-rate)과 진동, 충격에 대한 신뢰성 요구가 매우 높아 팩의 신뢰성 기술이 훨씬 고도화 되어야 한다.
특히 특수목적용 응용 분야에서 배터리로 인하여 화재사고가 발생하면 대규모 인명 피해로 연결 될 수 있기 때문에, 화재 안전성이 가장 중요하다. 화재의 3요소는 발화점·연료·산소이며, 리튬이온전지 시스템의 화재 및 전이 원인은 여러 요소가 복합적으로 작용한다. 이에 화재안전성 설계에는 4가지 과정이 필요하다. 첫째, 화재 요인을 제거하여 셀 열폭주 발생 요인의 원천적 차단이 필요하다. 둘째, 화재 발생 예방을 위하여 셀 열폭주 전조증상 검출을 통한 화재 발생 차단이 필요하다. 셋째, 열폭주전이 방지 및 화재 구속을 위하여 화재가 발생하더라도 폭발을 방지하고 모듈/팩 내 화재 양상을 완화하는 설계가 필요하다. 넷째, 화재 확산을 방지하고 소화하기 위하여 효율적인 소화약제 투입 및 팩 간 화재 전이를 차단할 수 있는 설계가 필요하다.
맺음말
배터리 셀 기술은 최근 상향 평준화 되어가고 있기 때문에, 가격 경쟁력으로 승부하기에는 한계가 명확해 보인다. 이에, 시스템 단위의 차별화된 배터리 솔루션을 선제적으로 확보 함으로써 경쟁력을 지속적으로 유지해야 할 것이다. 또한, 특수목적용 신규 응용분야로 부상하고 있는 전기선박, UAM, 잠수함, 지상방산용에서는 화재안전성 및 신뢰성이 가장 중요한 기술 요소 이기 때문에, 시장 창출 및 확대를 위해서는 이에 대한 솔루션을 개발하여야 할 것이다.
