전기차 배터리 운송 품질을 향상하는 모니터링

전기차 시장의 확대

전기차 배터리 시장이 계속해서 확장 중입니다. 2023년 1월, 라스베가스에서 열린 세계 최대 가전·정보기술 전시회 CES 2023에서도 이를 확실히 확인할 수 있었는데요. 특히 자동차 전문 기업뿐만 아니라 아마존, 마이크로소프트, 구글 등 글로벌 빅테크 기업도 모빌리티 플랫폼 산업 내 본격적인 진입을 위한 차량용 소프트웨어 기술, 인공지능 등을 선보였습니다.

이와 함께 리튬 배터리의 수요 증가세도 주목받고 있는 것입니다. 운송 시 위험물로 분류되는 만큼, 까다로운 관리와 규정이 요구됩니다. 현재 리튬 배터리가 안전하게 운송하기 위해 어떤 가이드가 있고, 또 무엇을 점검해야 할까요?

글로벌 전기차 교역 동향

2021년도 글로벌 자동차 판매량은 2019년 대비 9.7% 감소한 8,445만 대입니다. 반면 전기차 판매는 2019년도 대비 226.3% 증가한 660만 대로 역대 최고치를 기록했습니다.

전기차 누적 보급대수는 2021년 기준 1,600만대를 넘어서며 코로나 이전 대비 약 2.3배 가까이 증가했습니다. 전체 차량 중 전기차가 차지하는 비중도 코로나 이전 대비 약 3.6배 증가했다고 합니다.

현재 중국이 글로벌 전기차 판매 대수 및 증가율에서 1위로 시장을 선도하고 있습니다. EU 및 미국 역시 탄소중립 등 환경 정책을 기반으로 꾸준히 시장 규모를 넓히고 있습니다. 특히 미국의 전기차 시장은 다른 국가에 비해 상대적으로 작았지만, 국제유가 상승과 같은 국제적 이슈로 판매가 증가하고 있습니다.

한국의 전기차 교역 동향

국내의 전기차 시장은 어떠할까요?
한국은 판매, 생산보다 수출에 특화되어있습니다. 2021년 전기차 수출 세계 4위에 올랐는데요. 특히 코로나19로 2020년 전체 자동차 수출이 전년대비 11.9% 감소하는 동안에도 전기차 수출은 꾸준히 늘면서 2021년에는 2019년 대비 112.2%나 증가한 것으로 나타났습니다.  전체 자동차 수출에서 전기차가 차지하는 비중도 2019년 8.1%에서 15.8%로 2배 가까이 증가했습니다.

배터리 시장의 확대

이러한 글로벌 전기차 판매량 증가는 핵심 부품인 배터리 수요에 영향을 미칩니다. 2021년 글로벌 배터리 수요는 2019년 대비 2.1배가 증가했고, 이를 기준으로 2025년에는 6.9배에 달할 것으로 전망하고 있습니다. 이중 전기차 수요가 60% 이상을 차지할 것으로 예상합니다.

현재 글로벌 배터리 시장은 한중일 3개국이 장악하고 있습니다. 글로벌 점유율 1위는 중국입니다. 글로벌 10대 배터리 기업 중 LG에너지솔루션, 파나소닉, SK On, 삼성 SDI를 제외한 6개사가 모두 중국 기업으로, 2021년 기준 전세계 시장의 49%를 차지하고 있습니다.

한중일 3개국 배터리 시장 점유율

이러한 배터리 수요 증가는 곧, 운송 중 배터리 퀄리티 관리에도 변화가 필요함을 뜻합니다. 수요가 증가할수록 기업 및 소비자의 품질 관리와 안전 배송에 대한 기준도 높아지기 때문입니다.

전기차 배터리 운송 방법

현재 전기차에 가장 대중적으로 적용되는 배터리의 주요 원자재는 리튬입니다. 리튬으로 구성된 배터리는 리튬 이온 배터리와 리튬 메탈 배터리로 구분합니다.

전기차 배터리에 해당되는 리튬 이온 배터리는 이차전지의 일종입니다. 이차전지는 한번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 일차전지와 달리, 방전된 후에도 충전하여 재사용이 가능한 배터리를 일컫습니다. 리튬 배터리의 전해질은 가연성 액체인데요. 이 액체를 통해 리튬 이온이 양극과 음극을 이동하며 전류를 발생시킵니다.

이러한 배터리를 사용하는 한, 화재의 위험이 존재할 수밖에 없습니다. 액체 전해질에 열이나 충격이 가해지면 발화의 원인이 되기 때문입니다. 작은 홈만 생겨도 분리막에 영향을 미쳐 외부로 전해질이 새어나와 폭발을 유발하기도 합니다. 실제로 휴대용 배터리 관련 사고가 잇따르면서 2008년부터 위탁 수화물이 아닌 기내에 반입되어야 하는 규정이 생겨났습니다.

따라서, 리튬이온을 포함한 배터리 종류는 국제 규정에 따라 위험물로 분류되며 운송 중 이슈가 발생하지 않도록 철저한 포장 및 운송 방법을 고려해야 합니다.

리튬 배터리의 운송 가이드

리튬 배터리의 운송 방식은 IATA 발행 DGR (Dangerous Goods regulations)에서 규정하고 있는 내용을 준수해야 합니다. 해당 내용에는 규정사항, 포장지침, 비상조치법, 특성 등이 포함되어 있습니다.(* 환경부, 전기차 배터리 안전회수 및 해체, 보관 가이드)

이 규정에 따르면, 배터리의 정보를 4단계로 구분합니다.

• 1단계. 배터리 종류 구분 : 리튬 이온 배터리/셀 혹은 리튬 메탈 배터리/셀
• 2단계. 배터리 발송 형태 구분
  - 배터리(혹은 셀)만 단독으로 발송
  - 배터리(혹은 셀)와 제품을 함께 포장해서 발송
  - 배터리(혹은 셀)가 이미 장착되어있는 제품을 발송
• 3단계. 배터리 1개당 Watt Hour(와트시) 및 리튬의 양 확인
• 4단계. 발송할 포장물(Package) 당 포함되는 배터리(혹은 셀)의 양

또한, 대부분의 배터리 운송 수단인 항공 운송에서의 공통적인 지침사항은 다음과 같습니다.

1. 무게 35kg을 초과하는 리튬이온 배터리는 배송 전 국가 당국의 승인을 받아야 합니다.
2. 결함이 있거나 손상된 배터리는 운송할 수 없습니다.
3. 운송 중 단락을 방지할 수 있도록 포장을 올바르게 해야 합니다.
   (*단락 : 정상적인 상태보다 몇 배 이상 매우 높은 전류가 흐르는 상태)
4. 리튬 배터리 배송 라벨이 부착된 모든 패키지는 위험물로 표시되어야 하며, 제출 서류를 필히 보관해야 합니다.

그렇다면 포장된 배터리 물품의 정보를 어떻게 확인할까요? DGR 규정에서는 1) 배터리만 운송하는 경우, 2) 기계, 장비와 함께 포장되거나 장착이 된 채로 운송하는 경우로 구분하여 UN번호를 부여하고 있습니다. UN 번호로는 4가지, 고유 선적명 기준으로는 6가지로 구분합니다. 현장에서는 PI(Packing Instruction)로서 내용물을 구분합니다.

이를 종합하면, 운송 시 배터리의 종류, 상태, 용량, 포장, 수량, 거리, 원산지 및 국가에 대한 정보를 정확하게 파악할 수 있어야 합니다. 또한, 종류에 따라 필요한 예방 조치를 취할 수 있어야 하고, 올바른 유형의 포장을 통해 운송 중 배터리가 손상되는 것을 최소화할 수 있습니다.

전기차 배터리 운송 중 품질 관리가 필요한 이유

그럼에도 불구하고, 선적 중에 발생하는 안전 사고 빈도가  증가하고 있습니다. 연방 항공국 (Federal Aviation Administration)에 따르면, 2015년부터 2017년까지 항공 내 운송 도중 리튬 배터리 사고가 크게 증가했음을 알 수 있습니다.

배터리 사고 대부분은 과열로 인해 발생합니다. 이러한 사고에 대해 과학적, 기술적으로 규명된 정확한 원인은 없지만, 그 과정에서 온도 관리와 과충전 방지가 매우 중요한 요소로 거론되고 있습니다. 또한, 사용자의 잘못된 사용과 취급 부주의로 인해 발생하기도 합니다. 충격, 낙하, 눌림 등으로 인한 기계적인 손상, 과방전, 과충전, 단락으로 인한 전기적인 결함, 내부 과열, 전해질 누설, 화재, 폭발이 발생할 수 있습니다.

원인 분석의 한계

가장 큰 문제점은 이슈 발생 시 사후 검증에 의해 사고 원인을 알아내기 어렵다는 점입니다. 원인을 파악하여 “어떻게 이슈 발생을 막을 수 있을까?”라는 관점도 중요하지만, “같은 피해를 또 다시 발생하지 않도록 어떻게 대응할 수 있을까”라는 태도가 필요한 이유입니다. 원인을 알 수 없는 상황에서 리콜, 교환 등의 대처로는 기업의 책임소재를 파악하고, 충분한 대응책을 마련하는 데 명확하지 않기 때문입니다.

규정에 따르면 각각의 배터리를 보호하기 위해 에어캡, 두꺼운 보드지와 같은 내부 포장재를 이용하여 배터리를 개별적으로 완전히 밀봉하여 포장됩니다. 결국, 이슈 발생 시 원인이 된 제품을 확인하기 위해선 밀봉된 배터리를 꺼내 일일이 확인해야 하는 번거로운 수작업이 따를 수밖에 없습니다.

이슈를 최소화하고 효율적으로 관리하기 위해서는, 운송 중 관리가 선행되어야 합니다. 특히 내륙 운송보다 더 예측불가하고, 복잡한 과정을 거치는 항공, 해상 환경은 운송 중에서도 온도, 충전 상태 등 수많은 변수를 모니터링할 수 있는 기술이 뒷받침되어야 합니다.

운송 중 제품 퀄리티 관리를 위한 요건

앞서 제시된 기존 제품 관리 방식의 한계를 극복하기 위해서는 제품 컨디션 가시성을 확보할 수 있어야 합니다. 제품 컨디션 가시성은 제품에 영향을 미칠 수 있는 온도, 습도, 충격 등의 물류 컨디션 데이터를 기반으로 운송 중 화물의 상태를 파악하고, 발생할 수 있는 이슈를 예측하는 것입니다. 

출고와 도착에서만이 아닌, 운송 중에도 필요한 데이터를 빈틈없이 수집할 수 있습니다. 그리고 이러한 이력 데이터는 이슈에 대한 원인을 분석하고, 영향을 최소화할 수 있는 방안을 강구할 수 있습니다.

제품 단위의 상태 파악을 위해 몇 가지 선제적으로 필요한 부분이 있습니다.

1. 양질의 데이터 확보를 위한 센서 디바이스

기존 데이터로거와 같은 장치들은 수집하는 데이터의 범위가 제한적입니다. 대부분 차량, 컨테이너 기준으로 측정하고 수집하기 때문입니다. 제품 컨디션 데이터를 확보하기 위해서는 아래와 같은 센서 디바이스가 필요합니다.

- 데이터의 수집 범위
센서를 통해 환경 및 위치 데이터 수집이 가능해야 합니다. 수집된 데이터는 온도, 습도, 충격 등 제품 상태에 영향을 미치는 내용으로 폭넓게 확인할 수 있어야 합니다.

- 센서 작동
사전에 설정된 시간 단위로 데이터를 소프트웨어로 전송이 가능한지 확인해야 합니다. 제품 컨디션 데이터를 파악하기 위해서는 센서를 통해 전송된 데이터가 소프트웨어 연동을 통해 제품별 정보로 보여줄 수 있어야 하기 때문입니다.

- 기업 데이터베이스 및 시스템 연동
기업 마다 다른 물류 환경에 맞춰 다양한 적용과 운영이 가능해야 합니다. 예를 들어 자체 물류 운영하는 곳과 외주 업체를 통해 운영하는 곳, 그리고 해상 운송하는 곳과 내륙운송 위주인 곳은 적용 및 운영 방식이 다를 뿐만 아니라, 제품의 특성마다 준수해야 할 조건이 상당하기 때문입니다.

2. 수집된 데이터를 인사이트로 변화시킬 수 있는 소프트웨어

센서 디바이스를 통해 수집된 데이터를 제품 단위로 변환하고, 제품을 둘러싼 상황과 환경을 직관적으로 인지 및 대응할 수 있는 소프트웨어도 필요합니다. 이슈 발생 시 데이터 기반으로 다각도의 분석과 예측이 가능하기 위해선 이력을 한눈에 볼 수 있어야 합니다.

제품 컨디션 가시성을 통한 운송 중 제품 퀄리티 관리

1. 시뮬레이션을 통한 사전 예측

해상 운송에서 제품 컨디션 가시성이 확보된다면, 선적 위치, 열전도율 등 외부 환경 데이터를 기반으로 해상 컨테이너 내 화물의 상태를 입체적으로 측정할 수 있습니다. 수집된 데이터를 기반으로 히스토리를 분석해 반복되는 이슈를 최소화하고, 추가 시간 및 비용 발생을 방지합니다.

특히, 물품 특성에 따른 열전도율을 계산해 화물에 부하되는 온도를 측정하여 컨테이너 내 배터리의 적재 위치와 적재율을 도출할 수 있습니다. 온도를 비롯한 외부 환경의 영향에 민감한 배터리의 경우, 최적화된 환경 예측을 통해 파손을 최소화할 수 있습니다.

2. 제품 정보 확인의 간소화

패키지 단위로 선적된 배터리에 대한 정보들을 추가 교육 및 장치 없이도 데이터를 확인할 수 있습니다. 기업의 데이터베이스와 시스템 연동으로 장거리 운송에도 물류 상태 데이터를 손쉽게 확인할 수 있어 효율적인 운송 관리가 가능합니다.

지속적인 성장 기반을 마련하기 위한 전략

한 리서치에 따르면 전기차 배터리 시장은 오는 2025년 3조 원 규모에서 2030년 12조 원 수준으로 성장할 전망입니다. 특히 전기차 대중화가 본격화되는 2040년 시점에는 87조 원에 육발할 것으로 내다봤습니다. 최근 국내에서도 2030년까지 총 50조원을 투자해 세계시장 점유율 40%를 목표로 하는 이차전지 혁신전략이 발표된 만큼, 안정적인 배터리 생산과 수출 전략을 꾀할 필요가 있습니다.

이를 위해 운송 중 제품 퀄리티 관리가 필수적으로 뒷받침되어야 합니다. 오랜 시간 공들여 생산한 물품이 운송 과정에서 손상된다면, 이를 대응하기 위해 발생하는 비용이 생산비보다 더욱더 비싼 값을 치뤄야 하기 때문입니다. 지금 당장 변화는 어렵게 느껴지더라도, 중장기적인 관점에서 본다면 충분히 의미 있는 성장을 얻을 수 있을 것입니다.