제1부 비행체 기술 기반
1.21 에너지 저장 I: 리튬이온 배터리 — 비에너지·출력·열폭주·수명
1.21.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
배터리는 이 책의 모든 전동 기체에서 가장 무겁고, 가장 비싸고, 가장 위험한 부품이다. 비행 시간을 정하는 것이 배터리의 비에너지이고, 호버 전력을 정하는 것이 비출력이며, 인증과 보험을 정하는 것이 열폭주다. 이 장은 리튬이온 셀과 팩 기술을 다룬다. 관리 시스템은 1.22, eVTOL 배터리 안전은 15.5, 규격 상세는 9.20, 열관리는 1.25가 맡는다.
배우는 것:
- 셀 화학과 형식 — NMC·NCA·LFP·LTO와 실리콘 혼합 음극, 원통·파우치·각형이 무엇을 주고 무엇을 뺏는지.
- 셀 대 팩 — 셀 비에너지가 팩에서 왜 0.7~0.8배로 줄고, 방전 심도와 수명 말까지 곱하면 얼마가 남는지(계산).
- 비출력·C-rate·전압 강하 — 같은 셀이 방전율·온도·노화에 따라 얼마를 내놓는지, 호버 전력에서 셀을 어떻게 고르는지(계산).
- 수명 — 사이클 수명과 캘린더 수명의 기구, 온도의 영향.
- 열폭주 — 원리, 전파 지연의 계산, 방호 설계 원칙(유발 절차는 다루지 않는다).
- 항공 운송 규정과 차세대 배터리 — UN 38.3·IATA, 전고체 전지·리튬 황의 현황과 과장 경계.
선수 지식: 기초 전기화학과 회로. 추진 체인 효율은 1.17, 전동 구동계는 1.18을 본다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 1.21.4~1.21.6의 계산을, 인증·안전 담당자는 열폭주(1.21.8)와 운송 규정(1.21.9)을, 사업·투자 담당자는 차세대 배터리의 과장 경계(1.21.10)를 본다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월 기준이며 집필에 사용한 지식은 2026년 중반까지다. 셀·팩 수치는 제조사나 기업의 발표이므로
(공개 주장치)이고 독립 검증이 아니다. 셀 수준과 팩 수준을 구분해 적었다. 본문의 계산은 원리로 만든 교육용 모형이며 내부 저항·가산 질량 같은 매개변수는 가정이다. 열폭주는 원리와 방호 설계 수준으로만 작성하고 유발 절차는 작성하지 않는다. 확인하지 못한 것은(확인 필요)로 표시했다.
1.21.2 개념·직관 — 에너지 저장소이자 전력원이자 위험물
배터리는 세 얼굴을 가진다. 에너지 저장소(비행 시간을 정한다), 전력원(호버·이륙의 출력을 정한다), 위험물(저장된 에너지가 사고에서 열이 될 수 있다). 세 얼굴이 서로 부딪친다. 에너지를 많이 저장하는 셀은 대개 전류를 내기 어렵고 열 안정성이 낮다. 출력이 높고 안전한 셀은 에너지가 적다.
세 축에서 요구가 이렇게 다르다.
- 군용 드론은 저온·고온·진동에서의 성능, 피격이나 손상 때 거동, 야전 운반과 저장이 요구된다. 소형 소모성 기체는 싼 원통형 셀을, 대형은 고에너지 셀을 사용한다.
- 민간 UAS는 값, 수명, 충전 시간, 항공 운송 규정(비행 배터리의 휴대 반입)이 요구된다. 용량이 100 Wh 안팎에 맞춰진 제품이 많다(1.21.9).
- AAM은 호버의 고출력, 단일 고장에서도 안전한 열폭주 방호, 수명 말까지 입증된 성능, 빠른 재충전이 동시에 요구된다.
1.21.3 셀 화학과 형식
1.21.3.1 화학
양극과 음극 재료가 전압·에너지·안전·수명을 정한다. 아래 범위는 제조사 사양과 기업 발표에서 읽은 대략의 공개 범위이며 제품마다 다르다.
| 화학 | 양극 / 음극 | 공칭 전압 | 셀 비에너지(공개 범위) | 강점 | 약점 |
|---|---|---|---|---|---|
| NMC | Li(Ni·Mn·Co)O₂ / 흑연 | 3.6~3.7 V | 약 220~290 Wh/kg | 에너지와 출력의 균형 | 열폭주 때 산소 방출, 코발트 의존 |
| NCA | Li(Ni·Co·Al)O₂ / 흑연 | 약 3.6 V | NMC와 비슷 | 고에너지 | 열 안정성이 낮다 |
| LFP | LiFePO₄ / 흑연 | 약 3.2 V | 약 130~190 Wh/kg | 열 안정성·수명·값 | 에너지가 낮다. 평탄한 전압이라 충전 상태 추정이 어렵다(1.22) |
| LTO | 양극 다양 / Li₄Ti₅O₁₂ | 약 2.3~2.4 V | 약 60~110 Wh/kg 확인 필요 | 초고출력·저온·긴 수명 | 에너지가 매우 낮고 비싸다 |
| 실리콘 혼합 음극 | NMC·NCA / 실리콘-탄소 | 약 3.6 V | 주장 450~500 Wh/kg(소량) | 에너지 | 팽창에 따른 수명, 소량 생산 |
공개 사양의 점 몇 개를 든다(공개 주장치). Samsung INR21700-50E는 표준 용량 4.9 Ah급, 공칭 3.6 V, 연속 최대 방전 9.8 A이고(제조사 사양), 약 69 g(판매처 표기)이므로 저율 비에너지는 약 256 Wh/kg이다(산술). Molicel INR21700-P45B는 전형 4.5 Ah, 연속 45 A, 최대 70 g(제조사 데이터시트)이므로 약 231 Wh/kg이다(산술). 두 셀은 같은 21700이지만 비에너지와 방전율이 맞바뀐다. 50E의 연속 방전은 2C(9.8 A÷4.9 Ah), P45B는 10C(45 A÷4.5 Ah)다. Joby Aviation은 자동차 공급망의 NMC 셀을 셀 수준 288 Wh/kg으로 밝혔다(공개 주장치, 2023년 실적 발표의 2차 인용).
1.21.3.2 형식
| 형식 | 예 | 장점 | 약점 |
|---|---|---|---|
| 원통형 | 18650(지름 18 mm·길이 65 mm), 21700(21 mm·70 mm) | 자동화 대량 생산, 안전 밸브와 전류 차단 구조 내장, 셀 하나씩 분리하기 쉽다 | 팩 부피 효율이 낮고 접속점이 수천 개 |
| 파우치 | 알루미늄 라미네이트 | 가볍고 부피 효율이 높다. 큰 용량 | 팽창과 기계적 보호·압박 구속이 필요, 배기 위치가 불확정 |
| 각형 | 알루미늄 캔 | 구조 강성, 큰 셀 | 무겁고 큰 셀 하나가 가진 에너지가 크다 |
형식은 열폭주 방호와 직결된다. 작은 셀 여러 개는 하나가 폭주해도 방출 에너지가 작지만 전파를 막을 격벽이 많이 필요하다. 큰 셀은 접속이 단순하지만 한 번에 나오는 에너지가 크다(1.21.8).
1.21.4 셀 대 팩 — 비에너지는 어디서 사라지나
결론부터: 팩 수준의 비에너지는 셀 수준의 약 0.7~0.8배다. 셀 사이 격리, 배선, 냉각, 관리 전자 장치, 구조와 배기 경로가 질량을 더하기 때문이다. 거기에 방전 심도(DoD, 과방전·과충전을 피하는 여유)와 수명 말 용량을 곱하면 사용할 수 있는 에너지는 셀 명판의 절반 안팎이 된다.
$$e_{pack}=\frac{e_{cell}}{1+\sum_i \mu_i}, \qquad e_{use}=e_{pack}\cdot \mathrm{DoD}\cdot \mathrm{SoH}_{EOL}$$
($\mu_i$는 셀 질량 대비 각 항목의 가산 질량 비율, DoD는 방전 심도, $\mathrm{SoH}_{EOL}$은 수명 말 용량 비율.) 셀 270 Wh/kg을 가정하고 가산 비율을 가정해 계산하면 다음과 같다(파이썬).
| 단계 | 가산 비율(가정) | 누적 후 비에너지 [Wh/kg] |
|---|---|---|
| 셀 | — | 270.0 |
| 셀 사이 격리·열 완충재 | 0.06 | 254.7 |
| 버스바·배선·접촉기·퓨즈 | 0.05 | 243.2 |
| 냉각 구조 | 0.08 | 226.9 |
| BMS·센서·하네스 | 0.03 | 221.3 |
| 구조·케이스·배기 경로 | 0.18 | 192.9 |
| 방전 심도 0.9 | — | 173.6 |
| 수명 말 용량 0.8 | — | 138.9 |
공개 사례와 비교. Joby Aviation은 셀 288 Wh/kg, 팩 235 Wh/kg(계수 0.82)을 밝혔다(공개 주장치, 2023년 실적 발표의 2차 인용). 같은 기체에 대해 카네기멜런대의 한 연구자가 절연·열폭주 격납·관리 장치·냉각까지 반영해 팩을 약 200 Wh/kg(계수 0.69)로 추정했다는 보도가 있다(추정, 2차 인용). 위 폭포의 0.71은 이 둘 사이다. 가산 비율은 팩마다 다르며 이 표는 방법을 보이는 예다.
다른 장의 가정과의 연결. 이 책의 사이징 장들은 팩 수준으로 대개 170~250 Wh/kg을 사용했다(1.4는 150~300의 곡선, 1.7은 170과 250, 1.9·1.11은 180). 193 Wh/kg은 그 범위 가운데이고, 250은 공개 주장 상한에 가깝다. 1.15는 셀 400·500 Wh/kg을 가정했다. 실리콘 음극 셀은 2025년 5월 450 Wh/kg, 2026년 9월 500 Wh/kg(1C 방전 조건)이 발표되어(공개 주장치, 상용 공급은 2026년 4분기 예정으로 확인 필요) 그 범위의 주장은 존재한다. 다만 소량 생산·특수 용도(HAPS·고고도 무인기)이고 사이클 수명과 독립 검증은 별개다(1.21.10).
1.21.5 비출력·C-rate·방전 곡선·라곤 도
1.21.5.1 C-rate와 전압 강하
C-rate는 전류를 정격 용량으로 나눈 값이다. 4.9 Ah 셀을 9.8 A로 방전하면 2C다. 셀은 내부 저항 $R$을 가지므로 전류가 흐르면 단자 전압이 $\Delta V=IR$만큼 처진다(전압 강하). 일정 전력 $P$로 방전하면 전류는 다음과 같다.
$$V = V_{oc}(s) - I R, \quad P = V I \;\Rightarrow\; I=\frac{V_{oc}-\sqrt{V_{oc}^2-4RP}}{2R}$$
($s$는 충전 상태, $V_{oc}$는 개방 전압.) 방전이 진행되면 $V_{oc}$가 내려가고 같은 전력을 내려면 전류가 늘어 전압 강하가 커진다. 전압이 컷오프(NMC는 대략 2.5 V대)에 닿으면 방전이 끝난다. 결론은 단순하다. 같은 셀이라도 방전율이 높을수록, 온도가 낮을수록, 낡을수록 꺼낼 수 있는 에너지가 줄고 열이 많이 난다. 아래 곡선은 고에너지 21700급 셀 모형(25 mΩ 안팎, 가정)의 일정 전류 방전이다. 저온은 아레니우스 식으로 0 °C에서 저항 약 3배(활성화 에너지 30 kJ/mol 가정), 수명 말은 용량 80 %와 저항 1.6배다.
0 °C의 2C 방전은 초기 전압이 3.37 V로 25 °C(3.93 V)보다 0.56 V 낮고 꺼낼 수 있는 용량이 84 %로 줄었다(파이썬). 이 효과가 저온 환경 운용에서 배터리를 예열하는 이유다(1.25).
1.21.5.2 라곤 도 — 에너지와 전력의 교환
라곤 도는 일정 전력에서 꺼낼 수 있는 비에너지를 비출력에 대해 그린다. 아래 그림은 같은 모형으로 세 셀 부류를 그리고 위에 공개 주장치의 점을 중첩했다.
모형 곡선은 전압 한계만 본다. 비출력 1,000 W/kg에서 고에너지 셀은 198 Wh/kg(공칭 263의 75 %), 고출력 셀은 224 Wh/kg(공칭 238의 94 %), LFP는 137 Wh/kg(공칭 163의 84 %)을 낸다(파이썬). 고출력 셀은 공칭 비에너지가 낮아도 높은 전력에서는 더 많은 에너지를 준다. 실제 한계는 발열이 정한 제조사의 연속 방전 전류다(50E 2C, P45B 10C). 위 그림의 50E·P45B 점은 저율 비에너지와 연속 최대 방전의 전력을 하나로 찍은 정격 점이다.
1.21.6 수치 예시 — eVTOL 호버 전력에서 셀 고르기
1.17의 2,000 kg급 16로터 eVTOL을 이어 간다. 호버에서 배터리가 내야 하는 전력은 364 kW였다. 팩을 500 kg으로 가정하면(1.21.4의 계수 0.71에서 셀 질량 357 kg, 명판 에너지 약 96 kWh — 셀 270 Wh/kg 기준이며, 아래에서 고르는 고출력 셀(238 Wh/kg)이면 약 85 kWh로 낮아진다) 호버의 방전율은 약 3.8C(방전 심도 0.9 기준 4.2C)이고, 셀 수준 요구 비출력은 1,019 W/kg이다. 모형(1.21.5)의 두 셀로 풀면 다음과 같다. 저항은 가정이다.
| 항목 | 고에너지 셀(50E급, 28 mΩ) | 고출력 셀(P45B급, 11 mΩ) |
|---|---|---|
| 공칭 비에너지 [Wh/kg] | 263 | 238 |
| 방전율(충전 상태 50 %) | 4.6C | 4.5C |
| 셀 효율(충전 상태 50 %) | 0.83 | 0.94 |
| 셀 발열 [W/kg] | 208 | 65 |
| 요구 전력에서 꺼낼 에너지 [Wh/kg] | 195 | 224 |
| 0 °C(저항 3배)에서 | 공급 불가 | 149 |
| 수명 말(저항 1.6배)에서 | 98 | 214 |
결론 1: 요구 전력에서 꺼낼 수 있는 에너지는 고출력 셀이 224로 고에너지 셀의 195보다 많다. 공칭 명판의 순서가 호버 전력에서는 뒤집힌다. 결론 2: 고에너지 셀은 호버 전력에서 셀 발열이 208 W/kg으로, 357 kg 셀이면 약 74 kW를 냉각해야 한다. 고출력 셀은 65 W/kg, 약 23 kW다. 이 발열은 1.17이 본 열 설계점(배터리 약 14.5 kW)보다 크다. 1.17은 배터리 단계 효율을 0.96으로 가정했는데, 이 모형에서 고출력 셀의 호버 효율은 충전 상태 50 %에서 0.94(낮은 충전 상태에서는 0.92)로 그 가정의 낙관 쪽에 약간 못 미친다. 두 값은 1.17의 가정 범위(0.93~0.99) 안이다. 결론 3: 0 °C나 수명 말에서는 고에너지 셀이 호버 전력을 내지 못하거나 에너지가 반으로 준다. AAM에서 셀을 호버 전력으로 고르는 이유다. 대가는 공칭 에너지(263→238, 약 10 %)와 가격이다.
1.21.7 온도·노화·수명
수명에는 두 종류가 있다. 사이클 수명은 충방전을 반복한 횟수에 따른 용량 감소이고, 캘린더 수명은 사용하지 않고 놔둬도 시간에 따라 줄어드는 정도다. 열화의 주된 기구는 다음과 같다.
| 기구 | 원인 | 영향 | 완화 |
|---|---|---|---|
| SEI(음극 피막) 성장 | 시간·온도·높은 충전 상태 | 용량 감소·저항 증가. 대략 시간의 제곱근에 비례하는 경향 | 고충전 상태 보관 회피, 온도 관리 |
| 리튬 석출 | 저온·빠른 충전 | 용량 감소, 내부 단락과 안전 위험 | 저온 충전 제한, 예열 |
| 전극 균열·입자 파손 | 큰 전류·깊은 방전 | 용량 감소·저항 증가 | 방전 심도 제한 |
| 실리콘 음극의 팽창 | 충방전 때 부피 변화 | 사이클 수명 단축 | 구속·소재 설계 |
온도의 영향은 아레니우스 관계로 어림한다. 활성화 에너지를 50 kJ/mol로 가정하면 25 °C에서 35 °C로 10 K 오를 때 반응 속도는 약 1.9배다(파이썬). 열화는 대략 10 K당 두 배 가까이 빨라진다는 경험칙이 이 식에 있다. 운용은 수명 말 용량 80 %를 팩 교체 기준으로 흔히 사용하고(1.21.4의 폭포), 항공에서는 수명 말에도 호버·복행 전력을 낼 수 있어야 하므로 위 표(1.21.6)처럼 저항 증가를 포함해 설계한다. 상태 추정과 건전성은 1.22가 다룬다.
1.21.8 열폭주 — 원리와 방호 설계
1.21.8.1 메커니즘
열폭주는 셀 안의 발열 반응이 자기 열로 가속되는 연쇄다. 원리는 알려져 있으며(문헌 요약은 Feng 외, Energy Storage Materials, 2018) 단계마다 대략의 온도는 셀 화학과 크기에 따라 달라 확인 필요다.
| 단계 | 일어나는 일 |
|---|---|
| ① 자기발열 시작 | 음극 피막(SEI)이 분해되며 열이 나기 시작한다(대략 수십~백여 °C) |
| ② 분리막 열화 | 분리막이 수축·용융해 양극과 음극이 닿을 위험 → 내부 단락 |
| ③ 전해액 분해·증발 | 가연성 가스가 생기고 셀 안 압력이 오른다. 안전 밸브가 열린다 |
| ④ 양극 분해 | 니켈 계열 양극은 높은 온도에서 산소를 낸다. LFP는 더 높은 온도에서 시작하고 산소 방출이 적다 |
| ⑤ 폭주 | 급격한 승온. 가연성 가스와 입자가 분출한다. 불꽃이 날 수 있다 |
결론: 이 연쇄는 양극이 산소를 낼 수 있어서 외부 공기가 없이도 진행되고, 일단 시작하면 소화제로 반응을 멈추기 어렵다고 알려져 있다(공개 시험 서술의 일반 결론, 확인 필요). 방호는 시작을 막는 것과 시작해도 번지지 않게 하는 것의 2중으로 설계한다.
1.21.8.2 전파 — 이웃 셀이 데워지는 시간
한 셀이 폭주할 때 이웃 셀이 자기발열 시작 온도에 이르는 시간이 방호의 척도다. 이웃 셀을 40 °C에서 130 °C(가정)까지 올리는 데 필요한 열은 $mc_p\Delta T=0.069\times1000\times90=6.2$ kJ이다(21700 한 개, 질량 69 g, 비열 1,000 J/kg·K 가정). 폭주 셀 표면이 500 K 높은 온도로 마주 본 면(1.2 cm²급 가정)에 열을 전도로만 보낸다고 최악으로 두면 열전도 $q=kA\Delta T/\delta$로 다음이 나온다(파이썬, 개념 예시).
| 사이 구조 | 열전도율 [W/m·K] | 두께 | 열 흐름 [W] | 이웃 셀이 한계 온도에 닿는 시간 |
|---|---|---|---|---|
| 직접 접촉(접촉 저항 포함 유효값) | 약 1 | 0.5 mm | 1,200 | 약 5초 |
| 세라믹 섬유 | 약 0.1 | 2 mm | 30 | 약 207초 |
| 공기 틈 | 약 0.026 | 2 mm | 7.8 | 약 796초 |
| 에어로젤 단열 | 약 0.02 | 2 mm | 6.0 | 약 1,035초 |
읽기: 직접 접촉은 초 단위, 단열 격벽은 분 단위의 지연을 만든다. 이 지연이 감지·경보·착륙 시간을 번다. 다만 실제 전파는 분출 가스·불꽃의 직접 가열, 복사, 버스바를 통한 전기적 경로가 지배하는 경우가 많아 이 계산은 하한의 개념 예시다. 따라서 설계는 격벽 하나가 아니라 방호 전체를 입증해야 한다(15.5).
1.21.8.3 방호 설계 원칙
- 셀 사이 격리와 흡열. 단열 격벽, 열을 흡수하는 재료, 열을 퍼뜨려 판에 흘려 보내는 구조로 이웃의 승온을 늦춘다.
- 배기 경로. 분출 가스를 승객·조종사·다른 팩에서 먼 곳, 곧 기체 밖의 안전한 방향으로 배출한다. 압력이 갇히면 팩 케이스가 터진다.
- 모듈화. 전파 한계를 둔 작은 모듈로 나누고 모듈 사이를 열·가스·전기적으로 분리한다.
- 셀·모듈 보호. 셀의 전류 차단 구조, 셀 단위 퓨즈, 접촉기, 절연 감시(1.19).
- 감지. 전압·온도·가스·압력을 감시해 이상 징후를 일찍 알린다(1.22).
- 운용·비상 계획. 폭주가 시작되면 착륙·대피 시간을 확보한다. 지상 화재 대응은 15.11이 다룬다.
저장된 에너지의 규모를 감각으로 옮기면 이렇다. 21700 셀 하나의 전기 에너지는 18 Wh(65 kJ), 96 kWh 팩은 347 MJ로 가솔린 약 7.9 kg의 화학 에너지와 같다. 폭주가 방출하는 열은 전기 에너지와 같지 않고(가연 물질의 연소가 더해진다) 조건에 따라 다르므로 이 환산은 규모 감각용이다. 시험 기준과 인증은 15.5·9.20가 다룬다.
1.21.9 항공 운송 규정
배터리는 위험물이다. 비행기 화물로 부칠 때는 두 층의 규정이 있다.
| 규정 | 내용 |
|---|---|
| UN 38.3(UN 시험·판정 기준 매뉴얼 Part III, 38.3절) | 운송 전에 셀·배터리 형식이 통과해야 하는 8개 시험: 고도 모사, 열 시험, 진동, 충격, 외부 단락, 충돌·압궤, 과충전, 강제 방전(항목 이름은 일반 서술, 판 확인 필요) |
| UN 번호 | 리튬이온 배터리 단독 UN3480, 기기 안에 든 것 UN3481(리튬 금속은 UN3090·UN3091) |
| IATA DGR·ICAO 기술 지침 | 포장 지침 965(단독), 966(기기와 함께 포장), 967(기기 안에 장착). 단독 UN3480은 화물기 전용이고 충전 상태 30 % 이하로 제출해야 한다(한 판 서술, 현행 판은 확인 필요) |
| 미국 49 CFR §173.185 | 리튬 전지·배터리 운송 요건 |
| 승객 휴대 | 승객용 일반 규정은 배터리당 100 Wh 이하가 기본이고 그 이상은 항공사 승인이 필요하다고 알려져 있다(확인 필요) |
민간 드론의 비행 배터리가 대개 100 Wh 안팎으로 맞춰진 이유가 이것이다. 수십~수백 kWh의 eVTOL 팩은 일반 포장 지침의 범위를 넘으므로 특별 허가나 승인을 요구받는 것으로 알려져 있다(확인 필요, 세부는 9.20). 운송 시험(UN 38.3)은 셀이 안전하다는 증명이 아니라 운송 환경에서의 최소 시험이다. 항공기에 장착한 배터리의 안전은 다른 기준(DO-311A, 인증 특별조건)이 다룬다.
1.21.10 차세대 배터리 — 현황과 과장 경계
| 후보 | 아이디어 | 공개된 현황(기준 시점 2026-10) | 경계할 것 |
|---|---|---|---|
| 실리콘 음극 | 음극에 실리콘을 섞어 용량을 올린다 | Amprius가 2025년 5월 450 Wh/kg, 2026년 9월 500 Wh/kg(1C) 셀을 발표(공개 주장치). 고고도 플랫폼 개발사와 드론 고객에 소량 공급 | 사이클 수명, 방전율 조건, 생산 규모, 독립 검증 |
| 전고체 전지 | 액체 전해질을 고체로 바꿔 안전·에너지를 올린다 | QuantumScape의 QSE-5가 844 Wh/L·301 Wh/kg·1,000사이클 이상 95 % 유지를 제시(2026년 6월 투자 자료 요약, 2차 자료). 상용 생산은 가까운 시점이 아니라고 서술됨 | 시험실 시료와 양산의 차이, 항공 적용·인증 사례는 확인하지 못했다 |
| 리튬 금속 | 음극을 금속으로 | 연구·소량 | 덴드라이트와 수명 |
| 리튬 황 | 황 양극의 이론 비에너지가 크다 | 연구·시제 수준. 사이클 수명이 짧고 부피 에너지가 낮은 경향 | 이론값과 실제 팩 값의 큰 차이 |
과장을 판별하는 질문 다섯 가지가 있다. ① 셀 수준인가 팩 수준인가. 팩은 0.7~0.8배다. ② 어떤 방전율에서인가. 1C와 3C의 에너지는 다르다(1.21.5). ③ 몇 사이클 뒤의 값인가. 신품 값은 수명 말 값이 아니다. ④ 어떤 온도에서인가. ⑤ 양산인가 시험실인가, 누가 독립 검증했는가. 이 다섯 가지가 비는 숫자는 비교 근거로 사용하지 않는다. 전고체 전지와 리튬 황이 항공에서 인증된 사례는 확인하지 못했다(확인 필요).
1.21.11 설계 트레이드오프
세 가지 선택이 배터리의 성격을 정한다.
① 고에너지 셀(NMC·NCA, 2C급). 비행 시간이 길다. 호버 출력은 약하고 열폭주 방출이 크다. 이 입장을 취하는 쪽: 순항 비중이 큰 장거리 기체, 소형 장시간 UAS.
② 고출력 셀(NMC, 10C급). 호버·이륙 전력에 여유가 있고 발열이 작다. 공칭 에너지가 낮고 가격이 높다. 이 입장을 취하는 쪽: 호버 비중이 큰 eVTOL.
③ 안전·수명 우선(LFP·LTO). 열 안정성과 수명이 좋다. 에너지가 낮아 기체가 무거워진다. 이 입장을 취하는 쪽: 지상 보조 장비, 충전·교환형 소형 드론, 일부 안전 우선 개발.
견해: AAM의 셀은 공칭 비에너지가 아니라 호버 전력에서의 에너지·발열·수명 말 값으로 골라야 한다고 본다. 근거는 1.21.6의 계산이다. 호버 전력에서 꺼낼 에너지가 고출력 셀 224 대 고에너지 셀 195 Wh/kg이고, 0 °C와 수명 말에서 고에너지 셀은 호버 전력을 못 내거나 절반으로 준다. 명판에서 10 % 앞서는 셀이 임무에서는 뒤진다. 반대로 순항이 대부분인 장거리 기체와 UAS는 고에너지 셀이 맞다. 다만 이 비교는 저항 매개변수가 가정인 모형이므로 실제 셀의 방전 시험으로 확인해야 하고, 열폭주 방호가 셀 선택과 함께 설계되어야 한다(15.5).
1.21.12 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 셀 선택 | 소형은 싼 원통형, 대형은 고에너지 | 상용 셀·소형 팩 | 고출력·고안전 셀, 인증된 팩 |
| 지배 요구 | 저온·고온·진동·피격 내성·운반 | 값·수명·충전 시간 | 호버 전력·열폭주 방호·수명 말 성능 |
| 안전 | 손상 때 거동(방호 격벽 일반 원리) | 사용자 책임, 100 Wh 관행 | 형식증명 대상(15.5) |
| 수명 | 소모성은 짧아도 됨, 대형은 길게 | 수백 사이클 | 수명 말 입증과 교체 기준 |
| 핵심 병목 | 저온 성능·야전 충전 | 품질 편차·열폭주 사고 | 열폭주 방호의 입증·충전 속도 |
1.21.13 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
| UN 38.3(UN Manual of Tests and Criteria Part III) | UN | 리튬 전지·배터리 운송 시험 | 9.20 |
| IATA DGR · ICAO Technical Instructions | IATA·ICAO | 항공 운송 포장 지침 965~967, 충전 상태 한도 | 9.20 |
| 49 CFR §173.185 | 미국 교통부 | 리튬 전지 운송 요건 | 9.20 |
| IEC 62133-2 | IEC | 휴대용 리튬 이차전지의 안전 | 9.20 |
| UL 1642 | UL | 리튬 전지 안전 | 9.20 |
| RTCA DO-311A(판 확인 필요) | RTCA | 항공용 충전식 리튬 배터리 시스템의 최소 성능 | 9.20·15.5 |
RTCA DO-347 확인 필요 | RTCA | 소형·중형 리튬 배터리의 인증 시험 지침 | 9.20 |
| UL 9540A(참고) | UL | 지상 에너지 저장 시스템의 열폭주 전파 시험 방법 | 항공 준용 시 확인 필요 |
| EASA SC-VTOL | EASA | eVTOL의 감항 기준(배터리 요건 포함) | 17.14·15.5 |
판 기호를 확인하지 못한 것은 확인 필요로 두었다. 유료 표준의 본문은 옮기지 않고 구조와 요지만 적었다. 규격 체계는 9.1이 다룬다.
1.21.14 관련 규제·인증 요구와의 연결
- eVTOL 배터리 인증 — 열폭주 방호, 단일 고장 허용, 수명 말 성능의 입증은 15.5·17.7·17.14가 다룬다.
- 운송과 취급 — 항공 운송 규정과 지상 보관·충전 안전(9.20·14.27).
- 지상 대응 — 버티포트의 배터리 화재와 비상 대응(15.11).
- 관리 시스템 — 경보·보호 한계·상태 추정은 BMS(1.22), 열관리는 1.25.
- 수명 종료 — 폐배터리의 재사용·재활용(8.27).
- 군 — 군용 배터리의 안전 시험과 취급 규정(20.19·9.3).
1.21.15 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "셀이 400 Wh/kg이면 기체도 400이다" | 팩은 0.7~0.8배, 사용 가능 에너지는 약 0.5배 | 1.21.4 |
| "비에너지가 높은 셀이 좋은 셀이다" | 호버 전력에서는 고출력 셀이 더 많은 에너지를 낸다 | 1.21.6 |
| "배터리 용량은 하나의 숫자다" | 방전율·온도·노화로 달라진다. 0 °C 2C에서 84 % | 1.21.5.1 |
| "LFP는 폭주하지 않는다" | 시작 온도가 높을 뿐 폭주한다. 에너지가 낮아 기체가 무거워진다 | 1.21.3·1.21.8 |
| "격벽이 있으면 전파는 막힌다" | 분출 가스·복사·전기 경로가 지배할 수 있다. 격벽은 시간을 번다 | 1.21.8.2 |
| "UN 38.3을 통과하면 항공기에 사용해도 안전하다" | 운송 시험일 뿐이다. 장착 배터리는 다른 기준이 있다 | 1.21.9 |
| "전고체 전지가 곧 eVTOL을 바꾼다" | 항공 적용·인증 사례는 확인하지 못했다. 시험실과 양산은 다르다 | 1.21.10 |
한계도 밝혀 둔다.
- 셀 모형은 전압 한계만 본다. 발열이 정한 연속 방전 전류, 온도 상승, 용량의 율 의존, 노화에 따른 비선형은 넣지 않았다. 저항·활성화 에너지는 가정이다.
- 셀→팩 가산 비율은 가정이며 공개 팩 수치는 기업 발표와 2차 인용이다.
- 열폭주 전파 계산은 개념 예시(전도만, 최악 가정)이고 방호 성능의 증명이 아니다.
- 차세대 배터리의 수치는 기업 발표나 2차 요약이고 독립 검증이 아니다. 기업 동향은 시점이 지나면 바뀐다.
- 운송 규정은 판마다 바뀌므로 현행 판을 확인해야 한다.
1.21.16 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 셀 270 Wh/kg에서 팩 약 193 Wh/kg, 수명 말 사용 에너지 약 139 Wh/kg이 되는 과정을 설명하라.
- C-rate와 전압 강하를 정의하고, 4.9 Ah 셀을 2C로 방전할 때 전류를 구하라.
- 0 °C와 수명 말에서 방전 곡선이 어떻게 달라지는가? 이유를 저항으로 설명하라.
- 라곤 도에서 고출력 셀이 높은 전력에서 더 많은 에너지를 내는 이유는 무엇인가?
- 열폭주의 단계와 방호의 2중 구조(시작을 막기, 번지지 않게 하기)을 설명하라.
- 직접 접촉과 단열 격벽에서 이웃 셀이 한계 온도에 닿는 시간이 크게 다른 이유를 설명하고, 이 계산이 하한인 까닭을 말하라.
- 배터리 광고 수치를 믿기 전에 확인해야 할 다섯 질문은 무엇인가?
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 호버 전력에서의 셀 선택 기준 — 공칭 비에너지가 아니라 요구 전력·온도·수명 말에서의 에너지로 셀을 비교하는 공개 방법과 데이터는 어디까지 있는가?
- 열폭주 전파의 공개 시험 데이터 — 분출 가스·복사·전기 경로를 포함한 전파 지연을 항공 팩에서 일반화할 수 있는가?
- 실리콘 음극 셀의 항공 수명 — 450~500 Wh/kg 셀의 사이클·캘린더 수명과 팩 수준 값은 독립 검증으로 어떻게 나타나는가?
- 전고체 전지의 항공 인증 경로 — 새 화학의 인증 기준은 SC-VTOL과 DO-311A에서 어떻게 확장되어야 하는가?
1차 출처(이 장)
- Reddy, T. B. (편), Linden's Handbook of Batteries, 4th ed., McGraw-Hill, 2011.
- Feng, X.; Ouyang, M.; Liu, X.; Lu, L.; Xia, Y.; He, X., "Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review", Energy Storage Materials, vol. 10, 2018, pp. 246-267.
- 제조사 자료: Samsung SDI INR21700-50E 사양, Molicel INR21700-P45B 데이터시트, Amprius SiCore 발표(2025-05, 2026-09), QuantumScape 투자 자료
(공개 주장치). - UN Manual of Tests and Criteria Part III 38.3, IATA Dangerous Goods Regulations, ICAO Technical Instructions, 49 CFR §173.185.
- RTCA DO-311A, IEC 62133-2, UL 1642, EASA SC-VTOL.
- 2차 인용: Joby Aviation의 2023년 실적 발표(셀 288·팩 235 Wh/kg)와 카네기멜런대 연구자의 팩 추정은 보도 인용이다
(추정).
계산은 fig-src/1.21-ragone.py·1.21-discharge.py·1.21-pack.py의 모형과 파이썬 math로 했다(교육용 모형이며 제품 시험 값이 아니다).
다음 장: 1.22에서는 이 배터리를 관리하는 시스템을 본다. 셀 전압·온도·전류의 측정과 셀 밸런싱, 충전 상태(SoC)와 건전성 상태(SoH) 추정, 잔여 비행 가능 시간과 운용 마진, 고장 감지와 기능 안전을 다룬다.