1. 개요
여러 배터리셀을 하나로 합쳐 외부 환경의 물리적 충격으로부터 보호하며 특정한 역할을 수행할 수 있도록 만든 것. 가령 스마트폰이나, 무전기, 노트북 컴퓨터, 무선모형 등에 장착된 충전지가 대표적인 예이다. 국내에서는 배터리 팩이라고 하면 보통 보조 배터리를 지칭하기도 하는데, 틀린 말은 아니지만 영어로 구글링 해 보면 RC 등에 사용되는 배터리 팩이 더 많이 나오는 것을 볼 수 있다. 그러니까 엄밀히 따지자면 보조 배터리는 배터리 팩의 일종인 셈.국내 스마트 배터리팩 제조 전문기업으로 삼성SDI, LG에너지솔루션, 에너테크인터내셔널 등이 있다.
국내 배터리 안전기준(KC 62133)에서는 배터리 팩 대신 "전지"라는 용어를 사용한다. 또한 단순히 개별 배터리에 보호회로만 장착한 것도 전지, 즉 일종의 배터리 팩으로 취급되고 있다. 팩으로 조립되지 않은 개별 배터리는 "단전지"로 불린다.
2. 상세
전동 자전거나 전기자동차와 같이 어마어마한 양의 전력을 소비하는 경우, 적게는 수십 개 많게는 수천 개에 달하는 배터리가 한데 묶여서 하나의 배터리 팩 구조물을 이룬다.[1] 전동 무선모형을 다루어 봤으면 쉽게 이해하겠지만, 하나 하나의 배터리를 원하는 전압, 용량과 방전량에 맞추기 위해 적절하게 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 혼합으로 연결해서 한 데 묶어 놓는다.정확히는 여러 개의 셀이 모여 배터리 모듈을 만들고, 배터리 모듈 여러 개를 다시 묶어 배터리 팩을 만드는 식이다. BMW 사의 전기차 i3를 예로 들면, 셀 12개가 하나의 모듈을 이루고, 다시 8개의 모듈이 배터리 팩이 된다. 즉 배터리 팩 하나 당 96개의 셀로 이루어진 것.[2]참고로 최근(2022년 기준)에는 하나의 모듈에 최대한 많은 셀을 집어 넣거나 모듈을 거치지 않고 바로 팩을 만드는 셀 투 팩(Cell to Pack) 공법이 활발하게 연구되고 있다. 이렇게 하면 재료비 절감 뿐만 아니라, 배터리의 부피와 무게 감소에도 큰 영향을 미친다.
노트북이나 전기자전거, 전기자동차와 같이 어마어마한 소비전력을 사용하는 기기의 경우 배터리가 순간적으로 뽑아내는 전력량만 해도 적게는 5A 정도에서 많게는 수백 A에 달하다 보니 각 배터리 별로 정밀하게 특성이 일치하고, 균일한 품질로 제조된 제품을 묶어야 한다. 또한 단순히 과충 과방전 방지를 넘어서서 배터리의 건강 상태를 점검하고, 이상 발생 시 보호회로에서 처리를 시도하고, 배터리 간 틀어진 특성을 바로잡는 등의 복합적인 관리 역할을 수행하는 BMS(Battery Management System)를 장착하게 된다.
3. 배터리를 따로 사용하지 않고 팩으로 제작하는 이유
배터리를 팩으로 제작하는 배터리 팩의 경우, 외부의 요인에 의한 위험성, 특정 기기나 환경에 대해 대응할 수 있도록 구성한 장치이다. 배터리를 따로 뽑아두었을 경우 그 배터리는 생각보다 대단히 연약하고 사고 위험과 동작 신뢰성 등에 큰 장애를 초래할 수 있다.고성능 배터리는 충격이나 환경에 민감하고 문제가 발생할 경우 담을 수 있는 에너지의 크기만큼 큰 에너지를 방출한다. 이런 배터리를 그냥 여러개 줄줄이 연결해서 외부로 노출된 상태로 쓴다면 지속적인 충격과 진동에 의해 연결이 분리되거나 충격, 쇼트라도 발생하는 날에는 화재나 폭발이 일어날 가능성이 있다. 이러한 이유에서 특정 환경에 대응하거나 기능을 발휘해야 하는 특수한 경우에 배터리를 팩으로 제조하는 것이다.
또 다른 이유로는, 배터리 자체가 크기를 무작정 키울 수 있는 물건이 아니기 때문이다. 작은 배터리를 여러 개 묶는 것보다 큰 배터리를 만들고 거기에 팩을 씌우는 것이 공간 효율이 더 좋지 않냐고 반문할 수 있겠으나, 큰 배터리를 만들고 외부 충격에 대한 내구성, 수명, 출력 등등 품질을 보장하는 일은 생각보다 매우 어렵다!
당장 예를 들자면, 가로/세로/높이를 각 2배씩 늘렸을 때의 에너지 저장량은 8배가 된다. 당연히 충/방전 시 열도 그만큼 나게 되는데, 부피는 8배가 된 것에 비해 표면적은 고작 4배로, 부피 당 표면적(비표면적)이 작아 열 배출이 훨씬 취약하다! 조금만 흠집이 나도 전체가 모두 타 버릴 수밖에 없는 구조는 덤. 오늘날 대세가 된 리튬이온/리튬폴리머 배터리는 케이스를 찢을 정도의 충격을 받으면 짧은 시간 내에 발화한다. 또한 8배가 된 배터리 내부 공간 상에서의 열과 물질 전달도 완전히 달라지기 때문에 적절한 전해질의 농도, 전극 물질의 양과 비율 등을 다 새로 찾아내어 적용해야 할 것이다.[3][4] 최악의 경우, 기존 물질들로는 8배나 커진 공간 상에서 원하는 성능을 절대 내지 못할지도 모른다. 그냥 화학제품이니까 넓고 크게 만들면 됨에도 불구하고, 굳이 공간 활용이 효율적인 매우 큰 배터리를 만들지 않고 작은 배터리를 다닥다닥 붙이는 것에는 이유가 있는 것이다.
법적인 이유도 있다. 리튬 이온 전지의 경우 팩으로 제작해야 KC 인증을 취득 가능하기 때문이다. 팩으로 제작되지 않은 리튬 이온 전지는 원천적으로 KC 인증이 불가하며, 개인 판매도 불가능하다.
4. 무선모형용 배터리팩
RC가 전동화가 되기 시작한 것은 물론 배터리 기술 덕분이지만, 사실 엔진 RC에서도 배터리는 필요하다. 송수신기랑 서보는 전기로 움직이니까. 물론 2차 전지가 발달하기 이전에는 크고 무거운 납 축전지 정도밖에 재사용이 가능한 배터리가 없었으므로, 엔진 RC에는 1차전지를 사용했고, 전동 RC는 발달하지 않았다. 그러나 니켈-카드뮴 전지가 개발되자 납 축전지보다 작고 가벼우며 충전해서 재사용이 가능해 경제적이라는 이점을 살려 전동 RC가 발달하고 엔진 RC에도 수신기용 배터리로 사용되기 시작했다.RC에 사용되는 배터리는 위의 니켈-카드뮴 전지에서 보다 고용량의 니켈-메탈수소(Ni-MH) 전지로 진화하였고 이후 리튬폴리머 배터리가 발전하면서 항공 RC도 전동화의 급물살을 타게 된다. 육상 RC 역시 브러시리스 모터와 리튬폴리머 배터리로 많이 넘어가는 추세. 육상 RC의 경우 경량화보다는 고출력을 중시해서 니켈-카드뮴 전지보다 출력이 약한 니켈수소 전지나 초기 리튬폴리머 전지는 사용하지 않는 경향이 강했지만, 2011년 현재 리튬폴리머 배터리의 출력은 같은 무게의 니켈-카드뮴 배터리를 쌈싸먹을 수준이라.......
배터리의 스펙은 전압, 용량, 방전률로 표시하는데, 전압은 니켈-카드뮴 및 니켈수소는 셀당 1.2V, 리튬 이온 혹은 폴리머는 3.7V인 건 RC인들은 다 아니까 셀 수로만 표기하기도 한다. 용량은 mAh로 표기하는데, 한 시간 동안 모든 용량을 다 쓴다면 몇 밀리암페어의 전류를 공급할 수 있는가 하는 단위이다. 방전률(Current rate)은 이 용량 내에서 얼마나 빠르게 전류를 뽑아낼 수 있는가 하는 것으로, 용량이 2000mAh, 즉 2Ah에 방전률이 30C인 배터리라면 최대 60A의 전류를 뽑아낼 수 있다는 뜻이다. 물론 그 전류는 다른 곳이 아닌 바로 배터리에서 나오는 것이므로, 30C의 출력이 계속되면 배터리는 2분만에 방전되게 된다. 2009년에 이미 45C의 방전률을 가진 리튬폴리머 배터리가 발매되었으나, 당연히 방전률이 높을수록 비싸기 때문에 헬기나 고속 파일런기 같은 데나 쓰인다. 현재 헬기 쪽에서는 50C 이상, 60C~65C 정도의 제품도 출시되고 있다. 덧붙여 RC용이 아닌 노트북 등에 사용되는 리튬이온 배터리나 휴대폰에 사용되는 리튬폴리머 배터리의 방전률은 1C 정도라고 한다. 중국산 저가 리튬이온 배터리의 경우 실제 방전률이 0.3C 정도에 불과한 경우도 있다.
5. 레저 스포츠용 배터리팩
레저 스포츠용 배터리 팩은 오래 전부터 등산 낚시 캠핑 등 필드(야외) 환경에서 충분한 전력을 공급하기 위해 범용적이고 호환적인 전압인 12V에 큰 전류를 장기간 공급해주기 위해 개발된 장치이다. 이런 제품들은 멀티플한 활용 기능을 제공하며, 어마어마한 용량과 아주 복잡한 회로, 시스템을 갖추고 있다. 심지어 이러한 캠핑용 배터리 팩의 경우 밀도에서도 밀리지 않아서 12V 200AH급의 배터리 팩이 자동차의 납 축전지보다 작다.
용량과 성능이 어마어마하다 보니 동시에 스마트 디바이스 십여대 이상씩 충전할 수도 있고 심지어 저거 가지고 필드에서 전자레인지 돌리고 커피포트와 전기장판까지 쓰고도 용량이 남는다.
저 정도 규모의 배터리뱅크는 각 배터리의 특성이 틀어지지 않게 잡아주기 위해서 단순 보호회로가 아닌 각 배터리별 밸런스를 잡아 주는 셀 밸런스 시스템이 자체적으로 지원되며, 한 배터리의 충전 이상 발생 시 해당 배터리의 전압을 컷트시키거나 방전시켜 가면서 다른 배터리와 함께 충전 성능을 일정하게 유지하는 등의 배터리 매니지먼트 시스템, BMS 회로가 기본으로 장비된다. 심지어 BMS에 셀 밸런스 기능이 탑재되어 있는 상태에서 충전기를 이용하며 셀 밸런스를 또다시 잡아줄 수 있는 밸런스 충전 단자가 따로 마련되어있기까지 한 제품들이 많다.
필드에서는 저런 배터리를 충전하기 위해 보통은 태양전지판을 이용한다. 시스템 구성은 태양전지-충전회로-배터리팩 순서. 당연히 배터리팩 규모가 어마어마하다 보니 태양전지도 100~200W급을 이용하기도 하며 그 시스템의 규모로 따져본다면 웬만한 아파트 베란다 태양광 발전 규모보다도 더 클 수도 있다. 자동차 루프에 설치한다거나... 접이식으로 직접 DIY해서 휴대하거나...기타등등.
여담이지만 한겨울철 아주 좋은 비상용 차량 시동배터리로 쓰여도 아주 훌륭하다. 용량이 용량이다 보니 애시당초 저런 레저 스포츠용 배터리 팩에 들어가는 리튬전지는 일반 휴대기기에 사용되는 리튬망간산화물, 리튬망간코발트산화물 배터리와 달리 리튬인산철 배터리로 전압을 3.2V x 4 =12.8V로 2V x 6셀인 자동차용 납축전지의 12V에 근접하며 순간 방전율도 다른 리튬 이온 배터리에 비해서 상당히 높은 배터리이다. 다만 등가교환으로 동일 용량에서 부피와 무게가 다소 떨어진다. 물론 재생 배터리라던가,
6. DIY 제작 및 수리
7. 기타
레저 스포츠용 배터리 팩의 경우 내가 쓰는 배터리 팩에 들어간 배터리가 어둠의 루트로 유통된 건지, 정상적인 루트로 생산되어 시중 판매 되는 건지에 대한 문제도 꽤 발생된다. 가령 재생 배터리(대표적으로 단자재생)라던가... 보통 배터리를 폐기처분할 때 재사용을 방지하기 위해 단자를 다 잘라내 버린다. 하지만 이렇게 잘린 단자를 스폿용접, 납땜 등을 이용해 다시 살려내서 사용 가능 상태로 만든 배터리를 단자재생 배터리라고 한다. 보통 캠핑 쪽에서 이거(배터리) 단자재생이에요? 새거에요? 라고 물어볼 때 그 단자재생을 의미하는 것.업체에서 개발, 연구단계에 있던 배터리를 폐기처분하는 것이 시중에 유통된다거나 하는 경우도 있다. 한 예로 리튬티타네이트 배터리는 전기 자동차용으로 개발되던 배터리이며, 2019년 현재에는 도시바 등 여러 업체에서 상용화시켰다. 개발 과정에서 리튬티타네이트 배터리 연구용이 레저용으로 풀린 적이 있었다. 전압 특성이 리튬 이온 배터리와는 달라서 시중에 있는 리튬 이온 배터리 충전기는 호환되지 않으며, 전용 충전 시스템과 BMS가 필요하다. 평상시 전압도 리튬이온이 3.7V이지만 리튬티타네이트는 2.3V이다. 방전끝 전압도 리튬이온이 2.6V이지만 티타네이트는 1.5V이다.
물론 이런 배터리라고 해서 다 위험한 것은 아니다. 왜냐하면 공장에서의 폐기처분 기준이 워낙 까다로워서 그런데... 가령 배터리 성능은 시판품과 전혀 차이가 없음 에도 불구하고 단지 제조 공정 상 겉면에 이름 단어 숫자 한 글자 잘못 찍혔다고(...) 폐기처분 대상품이 되거나, 겉면에 기스가 조금 있는 채로 조립돼서 폐기 처분 대상이 되는 등의 경우도 폐기품 판정받는 배터리가
폐차되는 전기자동차의 배터리 팩을 해체하여 에너지 저장장치나 대용량 보조 배터리 등에 사용되는 새로운 배터리 팩으로 제조하는 경우도 있다. 다만 불량 배터리 셀로 인한 고장이나 사고를 방지하기 위해 각종 측정 장비로 배터리들을 검사한 뒤 사용한다.
아예 새로 상용화되는 배터리도 존재한다. 한 예로 나트륨 이온 배터리는 1970년대에 리튬 이온 배터리와 같이 연구개발되었으나 먼저 상용화된 리튬 이온 전지가 너무 성공적이여서 연구개발이 중단되었다. 그러나 이후 리튬 부족으로 인해 연구개발이 재개되었고, 2020년대 초에는 대량 생산 직전 단계까지 온 상태이며, 이를 이용하여 만들어진 배터리 팩 시제품도 여러 프로토타입 제품(캠핑용 파워 뱅크, 가정용 UPS, 전기자전거 등)에 적용되고 있다. 2023년 현재는 상용화 초기 단계이므로 나트륨 이온 배터리 팩은 구하기 어려울뿐더러 가격 또한 리튬인산철보다 오히려 비싸다. 평상시 전압은 리튬인산철과 비슷한 3.1V 정도이며 방전끝 전압은 0V이다. 즉, 커패시터처럼 완전한 방전이 가능하다는 것이다.
8. 관련 문서
[1]
참고로 전기자동차의 경우 사용하는 배터리 셀의 형태에 따라 셀 하나 당 용량이 달라 들어가는 셀 개수의 범위가 넓은 편이다. 원형 배터리를 썼을 때는 수천 개, 각형 배터리를 썼을 때는 100개 내외가 필요하다.
[2]
수십 개 단위이므로 각형 배터리를 쓴 것이다.
[3]
심지어 이런 건 계산식? 그딴 거 없다. 그냥 무작정 trial & error로 최적화해야 한다.
[4]
이해를 돕기 위해 실생활(?)의 예를 들자면
초대형 밥솥 사건이 있다. 단순히 크게 만들었다가 열이 솥 내부로까지는 전달되지 않아 겉은 타고 속은 안 익는 사태가 벌어지고 말았다.