잠수함용 리튬전지체계

현 도산안창호급 잠수함은 한국특수전지(KSB)에서 생산하는 납축전지를 탑재하고 있다. 납축전지는 낮은 제조원가로 인해 가격경쟁력이 우수하다는 장점이 있으나, 수명이 짧고, 에너지 밀도가 낮다.

충전 과정에서 수소(H2) 가스가 발생하여 발열 및 폭발 위험이 있으며, 황산전해액의 농도 차이에 따른 충전효율의 저하를 방지하기 위해 황산 전해액을 교반해야 한다는 문제점이 있다. 이로 인해 수소 가스를 제거하기 위한 공조 팬과 수소 제거기, 압축공기를 이용해 황산전해액을 교반하는 교반 장치 등 다양한 부속설비를 필요로 한다.

리튬전지는 리튬염 전해액을 사용하는 2차전지로, 작동전압과 에너지 용량이 우수하다는 특징이 있다. 따라서 기존 납축전지보다 같은 공간에 더 많은 용량의 배터리를 탑재할 수 있고, 최저속도 잠항시간이 166%, 최고속도 잠항시간이 305% 향상된다.

또한 충방전 과정에서 가스가 발생하지 않고 전해액 교반을 필요로 하지 않아 부속 설비들을 제거할 수 있으며, 충방전효율이 50%이고 수명이 2,000 사이클(cycle)인 납축전지에 비해 97%로 높은 충방전효율과 4,000 사이클 수명을 갖고 있어 운용 및 유지보수에 매우 유리한 이점을 가지고 있다.

한화디펜스는 장보고-III Batch-II 잠수함에 탑재하기 위해 2014년부터 잠수함용 리튬전지체계를 개발하고 있다. 삼성SDI의 각형 리튬이온 셀 192개를 직렬 구성한 리튬전지모듈을 개발하였으며, 장보고-III Batch-II 잠수함은 총 140개의 모듈로 구성되는 11.2MWh의 용량의 리튬전지그룹을 2개 탑재한다.

잠수함용 리튬전지는 선체 하부에 배치된다. 따라서 파손 등으로 인한 침수 상황이 발생할 경우 단시간 내에 해수에 노출될 가능성이 높다. 침수 상황에 노출되면 전해질인 바닷물로 인해 리튬이온전지의 양극, 음극 사이에 전류가 흐르면서 방전 및 발열현상이 일어나고, 절연 파괴로 인해 리튬전지 셀에서 누설된 전류가 인접한 리튬전지 모듈까지 영향을 줄 수 있다. 또한, 리튬전지가 파손되어 내부 단락이 발생하고 해수와 접촉하면 수소가스가 발생하면서 폭발할 수 있는데, 전해액은 인화점이 낮아 불이 옮겨 붙을 수 있고, 양극활물질에서 분해되면서 산소가 발생하므로 연쇄적인 열폭주(Thermal Runaway) 현상을 일으킨다.

따라서 리튬전지 탑재 시 절연 성능을 강화하여 해수 침수 시에도 리튬전지 모듈 내에서 완전히 방전되도록 설계하고, 과전압/과전류/고온 등에 대한 다중 안전장치를 적용하였다. 각 계층별 동작/운용 상황을 실시간으로 모니터링하고, 이상 상황에 대한 감지 및 대응을 통해 고장상황이 전체 리튬전지 모듈로 전파되지 않도록 했다.

리튬전지모듈은 외부의 화염으로부터 보호할 수 있도록 6면을 막는 압력용기 구조로 설계되었으며, 소재는 열전도도 및 열팽창율, 비열 성능이 높은 용융온도 1400℃의 STS 계열로 선정하였다. 상부에 플라스틱으로 적용된 극주 커버는 난연 최상위 등급 재질로 설계하여 열변형을 최소화했다. IP44 기준의 방진 설계가 적용되어, 화재 시 화염이 구조물 내부로 전이될 수 없도록 설계되었다.

팩 전압을 SOC 95% 이상인 794Vdc로 충전하고, 연소안전 시험용 지그에 고정한 후 연소안전 시험평가를 진행하였다. 30초 내에 25℃에서 800℃까지 상승한 후 2분간 800℃의 화염을 유지하였고, 시험 후 외함의 용융이나 실링부 파손 등이 확인되지 않았다. 플라스틱 재질의 상부 극주 브라켓이 일부 녹은 것 외에는 불이 붙지 않았다. 구조물 내 배터리도 손상되지 않았고, 초기 전압인 794Vdc를 유지하였다.

염수침수 상황에 대응하기 위해 8kVdc의 내전압 성능을 갖는 절연지를 개발하였으며, 절연패드를 리튬전지모듈 외함 내부에 부착하여 염수와 외함 간의 누설전류를 줄이는 절연강화 설계가 반영되었다.

고전압 상황에서 침수 상황을 반영하기 위해, 800Vdc로 충전한 후 염수침수 시험을 진행하였다. 리튬전지모듈은 커버 및 구조물, 커버 조립부 면에 각각 고무패드가 적용되는 등 IP44를 만족하는 방수 설계가 적용되었으나, 리튬전지모듈의 외부 파손을 고려하여 대전력 개폐기 및 통신 커넥터를 제거하여 모듈에 염수를 대량으로 투입할 수 있도록 했다.

농도 0.6M에서 침수 후 1시간 동안 화염 또는 폭발 반응이 발생하지 않았고, 하루동안 완전 방전될 때까지 방치한 후 확인한 결과 화염 및 폭발 흔적이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.

이외에도 리튬전지체계 성능입증시험은 총 88개의 기능/성능/안전성/연동시험으로 수행되었으며, 요구성능을 100% 만족하는 결과를 보여주었다. 과충전/과방전, 단락, 열노출, 압력, 연소, 염수침수 시험을 실시하여 안전성을 입증하였고, 국제공인규격(MIL, ISO, IEC 등)에 따라 리튬전지모듈의 전기적 성능, 충격, 온/습도, EMI/EMC에 대한 성능을 입증하여 신뢰성을 확보하였다.