벤츠 전기차 화재로 배터리 안전성 관심↑…폼팩터 상관 있나

[EV 팩트체크] 외장재 성능 차이는 존재…부가 기술 고려하면 일반화 어려워

전기차와 배터리는 '바늘과 실' 같은 관계입니다. 배터리가 전기차 성능과 안전을 좌우하는 만큼 둘은 한 몸과 같기 때문입니다. 그러나 B2B 영역이다 보니 제대로 된 정보를 얻기 쉽지 않습니다. 정보의 비대칭으로 인해 많은 사실이 왜곡되고 또 잘못된 정보가 나돌기도 합니다. 올바른 산업 발전에 큰 지체현상을 일으킬 우려가 많습니다. 지디넷코리아가 전기차와 이차전지 관련 정확한 정보를 알리고, 독자들의 궁금증을 풀어드리겠습니다. [편집자주]

전기차 화재로 대규모 피해가 발생하면서, 전기차 배터리 안전성에 대한 갑론을박도 이어지고 있다. 그 중 배터리 폼팩터 또한 주요 변수라는 지적도 일각에서 나온다.

배터리 폼팩터는 ▲파우치 ▲각형 ▲원통형으로 분류된다. 폼팩터로 보면 상대적으로 파우치의 안전성이 열세라는 의견이 주를 이룬다. 구조 상 배터리 외장재인 알루미늄 필름이 다른 폼팩터에 비해 외부 충격에 약하다는 점이 근거다.

각형, 원통형 배터리의 외장재는 더 튼튼한 알루미늄 캔을 사용한다. 최근에는 이런 점을 의식한 듯 파우치 배터리를 쓰던 여러 전기차 제조사들이 각형 배터리를 채택하는 모습도 나타나고 있다.

다만 배터리 생산 과정에 더해지는 안전 강화 기술을 고려하면 폼팩터로 안전성을 구분하는 논리는 일반화할 수 없다는 반박도 나왔다.

LG에너지솔루션과 SK온이 생산하는 파우치 배터리

■ 파우치 배터리, 폭발 확률 더 높다?

업계에선 설계 상 결함이나 외부 충격, 고온 등 이유로 전기차 배터리의 온도가 상승하는 ‘열 폭주’를 가장 경계한다. 한 셀에서 열 폭주가 발생하면 그 여파로 다른 셀 온도도 오르는 ‘열 전이’가 발생할 수 있고, 결과적으로 전체 배터리에 실린 대규모 에너지가 화재로 이어질 수 있어서다.

파우치 배터리는 외장재 부피와 무게를 줄여 같은 기준 에너지 밀도를 높이는 데 초점을 맞춘 폼팩터다. 반면 이 때문에 열 폭주와 전이를 막는 데에는 취약하다는 우려가 있다.

일단 그 동안 화재가 발생한 전기차들은 파우치 배터리를 탑재한 경우가 많았다. 지난 1일 화재가 발생한 벤츠 전기차 모델도 파라시스의 파우치 배터리를 탑재한 것으로 알려졌다.

1일 오전 인천 서구 청라동의 한 아파트 지하주차장에서 벤츠 전기차로 추정되는 차량이 폭발하며 화재가 발생했다. (영상=독자 제공) 2024.08.01. ruby@newsis.com(출처=뉴시스)

지난 2021년 신정훈 더불어민주당 의원은 산업통상부, 국토교통부 자료를 인용해 지난 2017년부터 5년간 발생한 에너지저장장치(ESS)와 전기차 배터리 화재 47건을 분석한 결과 파우치형 배터리에 기인한 화재가 33건을 차지했다고 밝히기도 했다.

다만 전기차 시장 초기에 파우치 배터리가 상당수 보급된 점을 고려하면 화재 건수가 많다는 것은 일종의 착시라는 반박이 나왔다.

업계에 따르면 중국 시장은 각형, 유럽 시장은 파우치형, 미국 시장은 원통형 배터리를 주로 소비해왔다. 중국 시장은 자국 기업 위주로 형성돼 있고, 미국은 테슬라 점유율이 압도적인 점을 고려하면 그 외 시장에선 파우치 배터리가 주로 보급된 편이다. LG에너지솔루션, SK온 등 국내 배터리셀사도 전기차 제조사에 파우치 배터리를 다년간 공급해왔다.

■ 배터리 폭발 피해도 폼팩터에 좌우될까

파우치 배터리의 경우 타 폼팩터 대비 열 전이 속도가 빠르다는 실험 결과가 소개되기도 했다. 열 전이 속도가 빠르면 그만큼 대규모 화재로 번지는 데까지 걸리는 시간이 짧아질 수밖에 없다.

지난 3월 ‘NGBS 2024’ 세미나에서 양제헌 에코프로 이사는 배터리 열 전이가 바로 옆 셀과 두 번째 셀, 세 번째 셀까지 영향을 미치는 데 걸리는 시간을 살펴본 결과 전류 차단 장치를 내재한 각형과 원통형 배터리가 파우치 배터리 대비 더 오래 걸렸다고 발표했다.

다만 발표 당시 양제헌 이사는 실험 조건에 따라 결과가 상이할 수 있어 폼팩터별 성능을 이대로 단정할 순 없다고 했다.

파우치 배터리 제조사는 유연한 외장재 소재가 오히려 화재의 급속한 확산을 저지한다고도 주장한다.

파우치 배터리 제조사 관계자는 “각형 배터리는 상대적으로 두꺼운 외장재로 배터리가 보호된다는 점에서 안전성을 인정받지만, 열 폭주에 따른 피해는 더 크게 나타날 수 있다”며 “외장재가 배터리 내에서 가하는 압력을 버티다가 한계를 넘어 폭발하게 되는 상황에선 더 큰 규모로 폭발이 나타날 수 있기 때문”이라고 지적했다.

■모듈도 빠지는 파우치 배터리…안전성 문제 없을까

최근 파우치 배터리의 에너지 밀도를 높일 기술로 ‘셀투팩(CTP)’을 도입하는 기업들이 늘고 있다. 배터리셀 구성 중 모듈을 제외해 공간과 무게를 절약하는 방식이다.

다만 파우치 배터리에 대해 외장재가 약한 것이 단점으로 지적된 만큼, 모듈이 빠지면 같은 논리로 안전성이 더 악화되는 것 아니냐는 지적이 나올 수 있다. 이에 대해 업계는 안전성이 저하되지 않도록 보완 기술을 접목하고 있다고 밝혔다.

LG에너지솔루션 관계자는 "안전성도 동시에 확보하는 것이 CTP의 기술적 난제"라며 "열 전이 차단재로 레진을 사용하고, 배터리팩도 보다 견고하게 만들어 대응하고 있다"고 답했다.

LG에너지솔루션 파우치형 셀투팩(CTP) 이미지

SK온은 CTP 도입과 함께 안전성을 확보하기 위해 'S-팩' 기술 상용화를 준비 중이다. 셀 간 방호재를 삽입하고 내부 격실구조 공간을 조성하는 것이다. 아울러 배터리에 이상이 생겨 발생하는 가스를 원활히 배출하도록 돕는 '벤팅' 기술 등을 적용하는 식이다.

■각형·원통형 배터리 채택 늘고 있다던데

다양한 분석들을 종합하면 배터리 폼팩터만으로 안전성 수준을 가늠하긴 어렵다는 의견이 대체적이다.

배터리 업계 관계자는 "전기차 화재 자체가 배터리가 원인인지, 배터리관리시스템(BMS)가 문제인지, 충전기 상의 문제인지, 차량 내 전기적 요소의 문제인지 따져볼 것들이 많다"며 "이런 여러 변수를 제쳐두고 폼팩터만 따져 안전성을 평가하긴 어렵다"고 말했다. 

다만 그 동안 파우치 배터리를 주로 채택했던 유럽 전기차 시장에서 각형 배터리 채택이 늘어난 점이 눈에 띈다. 실제 볼보, 르노 등 기업이 추가로 각형 배터리로 전환하는 방안을 고려 중인 것으로 알려졌다.

삼성SDI의 전기차 배터리

그 동안 주행 거리 위주로 경쟁하던 전기차 업계가 안전성 보완에 눈을 돌리면서 각형 배터리 채택이 늘고 있다는 분석이 나왔다. 각형은 구조적으로 벤팅이 용이하고, 냉각 패드를 더해 열 전파를 줄이는 등의 강점을 지닌다.

업계 다른 관계자는 "파우치 배터리는 용량을 더 늘릴 수 있다는 장점이 있고, 이를 위주로 계속 고려한다면 파우치 배터리를 계속 채택했을 것"이라며 "기술이 고도화되면서 각형 배터리도 에너지 용량이 일정 수준 이상으로 확보되고, 여기에 안전성이 더해진다는 판단에 따라 이를 채택하는 사례가 늘어난 것으로 본다"고 분석했다.

각형 배터리뿐 아니라 46파이 등 원통형 배터리도 안전성과 더불어 에너지 밀도 등 성능의 우수성, 편리한 양산 등 강점을 인정받아 전기차 시장 점유율이 확대될 것으로 전망되고 있다.