[배터:Reader] 전쟁을 이기는 시한폭탄, 군용배터리 읽기

[배터:Reader] 전쟁을 이기는 시한폭탄, 군용배터리 읽기

대학생신재생에너지기자단 26기 류호용

 
전쟁과 배터리

[자료 1. 우크라이나 전쟁]

출처 : 오마이뉴스

전쟁은 참혹하다. 한국은 2차 세계대전 이후 1950년 6·25전쟁을 거쳐 70년이 넘는 세월 동안 분단의 아픔을 겪고 있다. 이 외에도 아프리카, 아시아 지역에서는 내전이 지속되고 있고, 우크라이나전쟁은 현재까지도 지속되며 인류를 위협하고, 세계의 경제를 뒤흔들고 있다. 현재 기사를 읽고 있는 이 순간에도 끊임없이 전쟁은 지속되고, 많은 이들이 아픔을 겪고 있다. 순수한 욕심에서 시작된 전쟁은 오랜 시간 인류의 역사와 함께 해왔고, 기술의 발전과 함께 모든 것이 고도화됨에 따라 군대 또한 오랜 역사를 거치며 고도화됐다.

이러한 기술적으로 고도화된 전장에서도 에너지가 필수적이다. 탱크를 움직이게 하고, 아군 간 통신망을 이어주며, 심지어 미사일을 쏘아 올리기 위해서 에너지가 필요하다. 그리고 현대사회에서 배터리를 사용하는 것처럼 군대 또한 전기화학적 전지(cell)를 사용하고 있다. 이러한 전지를 우리는 '군용배터리'라고 한다. 그러나 폐쇄성이 짙은 군대만의 특수성에 의해 우리는 군용배터리에 대해서 잘 알지 못한다. 본 기사에서는 그동안 국방의 의무를 이행해 온 군용배터리에 대해 살펴보고자 한다. 또한 군용배터리가 가지는 문제점과 더불어 변화하는 양상에 대해 알아보고자 한다.

 

시대에 뒤처지는 군용배터리

우리가 흔히 말하는 배터리(Battery)는 이차전지(Secondary Battery)로 통용되는 경향이 있다. 하지만 군용배터리는 이차전지로 통용되지 않는다. 현대사회는 이차전지의 개발을 끊임없이 투자하며 차세대배터리로 나아가고 있지만, 군대에서는 이차전지의 사용률이 낮다. 결과적으로, 군용배터리는 일차전지(Primary)를 일컫는다. 일차전지는 전기화학 반응이 비가역적이기 때문에 한 번 쓰고 버려야 하는 일회성 전지를 일컫는다. 충·방전이 가능하여 재사용이 가능한 이차전지와는 달리, 일차전지는 전지 내에 전류를 흘려 줌으로써 방전 시에 일어난 화학 반응을 역으로 되돌리는 것이 불가능하다. 다시 말해, 리튬과 같은 반응물에 대해, 전지에 역방향의 전류를 걸어 준다고 해서 본래의 위치로 되돌아가지 않고, 전지의 용량이 회복되지도 않는다. 일차전지는 양극과 음극 중 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두를 소진함으로써 수명을 다하는 원리이다.

[자료 2. 일차전지의 개요도]

출처 : 공대상상

군용배터리로 사용되는 대표적인 일차전지는 리튬 일차전지가 있다. 리튬 일차전지는 음극재(Anode)로 리튬 금속(합금)을 사용한다. 음극의 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온(Li+)으로 변환되고, 양극(cathode)으로 이동하며 전류를 발생한다. 이 반응은 비가역적이므로 한 번 사용하면 다시 충전할 수 없다. 현재 우리 군은 리튬/염화티오닐(Li/SOCl₂) 일차전지를 사용한다. 음극으로는 리튬 금속을 사용하고 양극에는 탄소를 사용하며, 전해질로는 티오닐(SOCl₂)을 사용한다.

이러한 시선으로부터 군대에서는 일차전지를 사용하는 이유에 대해 고찰해 볼 수 있다. 이는 크게 2가지 면으로 분석할 수 있다. 첫 번째로 에너지밀도의 측면이다. 리튬 일차전지는 이차전지가 상용화되기 전, 수많은 일차전지 중에서 가장 성능이 뛰어나다. 특히, 아연(Zn), 은(Ag) 등 무거운 원소를 사용하는 일차전지들에 비해 리튬(Li)은 원자번호가 낮으므로 상대적으로 가볍고, 에너지밀도가 높으며, 극저온의 온도에서도 작동이 가능하다는 장점이 존재한다. 결과적으로 은(Ag)보단 저렴하고, 에너지밀도가 높은 리튬을 바탕으로 한 일차전지가 군부대에서 주로 사용한다.

또 한 가지 이유는 군대와 전쟁의 특수성이다. 위에서 살펴본 것처럼 일차전지와 이차전지의 가장 큰 차이점은 충·방전의 유무임을 확인했다. 충·방전을 거듭하는 행위를 시간과 돈이라는 측면에서 살펴본다면 이 두 가지를 모두 챙기지 못한다. 전쟁이 발발한 급박한 상황을 '야전(field Battle)'이라고 한다. 이러한 야전에서 사용하는 무전기의 전원이 다했을 때, 총알이 날아오고 목숨이 오가는 상황에서 콘센트를 찾아다니며 충전을 기다릴 시간이 없다. 그래서 일차전지를 사용하고 있다.

[자료 3. 국군 통신장비 P-96K(좌), PRC-999K(우)]

출처 : ART STATION

위 자료는 군대에서 사용되는 무전기 P-96K와 PRC-999K이다. 전자는 TV 리모컨 크기 정도로 소형이나, 일차전지를 결합할 경우 일반 스마트폰 무게의 2배에 달한다. 후자의 경우, 배터리 무게만 5kg에 달하며, 배터리와 무전기 모두 결합할 때 10~15kg 정도의 무게를 가진다. 그리고 이 장비의 경우 통신병이라는 특수 보직의 병사가 매거나, 장갑차를 비롯한 수많은 중장비에서 암호화된 통신망을 사용하기 위해 필수적으로 탑재한다. 물론 자체 발전기가 탑재된 중장비의 경우 충전이 가능할 것이다. 그러나 야전에서 통신병들은 등에 메고 뛰어다니며 30kg의 군장과 총, 보호장비와 함께 장거리를 이동하는 경우가 과반수이다. 이러한 배터리의 수명은 짧게는 20시간에서 길게는 70시간까지 이어진다. 하지만 실시간으로 통신망을 이어주기 위해서 이러한 무게를 짊어지는 군인의 노고는 고려 대상이 아닐 것이다.

 

아군을 지키는 군용 시한폭탄

[자료 4. 리튬일차전지 공장화재]

출처 : 국민일보

2024년 6월 24일, 경기도 화성의 리튬 일차전지 공장에서 큰 규모의 화재가 발생했다. 당시 화재에서 23명이 숨졌으며, 이후 이루어진 조사에 따르면 국내 군부대에서 1년에 9차례 이상 일차전지 폭발 사고가 일어난다. 국방부에서 제공한 자료에 따르면 10년간 우리 군에서 발생한 리튬 일차전지 사고는 92건이며, 사고 중 28건은 단순히 보관 중이던 전지가 폭발한 것으로 보도됐다. 당장의 대책이 필요한 군대에서는 폭발을 막기 위해, 보호 회로와 내화성 포장지를 개선했으나, 일부 부대에서 리튬 일차전지를 냉장고에 보관하는 상식적이지 않은 대책만이 이루어지고 있다.

[자료 5. 폭발한 무전기용 리튬배터리]

출처 : 국민일보

사고는 무전기 등 통신장비용 리튬배터리에서 빈발했다. 단거리 FM 무전기인 PRC-999K, 장거리 AM 무전기 PRC-950K에 결합해 사용하는 리튬 일차전지에서 19건과 6건의 사고가 집중됐다. 실제로 리튬 일차전지는 온도·습도 등 적절한 환경조건을 유지함에 불구하고, 예측이 어렵게 무분별한 폭발이 반복되고 있다. 비츠로셀을 비롯한 공급업체에 따르면 공정간 이상 상태 시 저전압 경보음이 울리거나, 외부 팽창 ·가스등 징후가 발생한다고 밝혔지만, 장병들은 이를 인지하지 못한 채 사고가 발생한다.

일차전지는 이차전지의 화재와 동일한 이유로 화재가 발생한다. 바로 리튬을 사용하기 때문이다. 리튬 일차전지의 화재 위험성이 큰 이유는 온도가 올라가거나 과도한 충·방전, 물리적 충격을 받으면 열폭주 현상을 일으키기 때문이다. 열폭주는 연쇄적인 화학 반응으로 제어할 수 없이 온도 상승이 일어나는 현상이다. 따라서 소화수를 뿌리는 것으로는 진화할 수 없다. 전극에 쓰이는 리튬 금속의 반응성도 문제다. 리튬 금속은 반응성이 커 물과 만나면서 수소 가스를 만든다. 수소 가스는 폭발하기 쉬워 화재를 유발하는 주요 원인으로 작용한다.

 

변화하는 군용배터리

전 세계 군 연구기관이 리튬 일차전지를 대체할 새로운 기술을 찾고 있다. 군부대 내에서 화재 사고는 특히나 위험할 것이다. 순간적인 폭발로부터 각종 탄약, 화약류로부터 이어진다면 그 피해는 마치 전쟁 속에 전쟁이 발발한 것처럼 비극이 될 것이다. 이러한 문제점으로부터 앞으로 화재 위험성이 낮은 전지 기술은 국방의 목적에 있어 필수적이며, 뿐만 아니라 우주 분야에서도 활용도가 높다. 섭씨 영하 수백 도에서 영상 수백 도를 오가는 극한의 환경을 갖는 우주에서 임무를 안전하게 수행하려면 리튬 일차전지를 대체할 새로운 기술이 필요하다. 국방을 위한 배터리 연구는 안전한 일차전지는 군의 문제만은 아니라는 점이 자명하다.

[자료 6. 리튬/탄산플루오르화물 일차전지]

출처 : 비즈조선 

세계 각국에서 군이 폭발 위험이 낮으면서도 에너지 용량이 큰 일차전지 기술을 확보하기 위해 다양한 연구를 하고 있다. 가장 먼저, 군 연구기관을 비롯한 미 해군연구소(ONR)는 군·학 협력 프로젝트 ‘넵튠(Neptune)’을 가동해 리튬 일차전지를 대체할 차세대 배터리 기술로 리튬/탄소 플루오린화물(Li/CFx) 전지에 주목하고 있다. 리튬/탄소 플루오린화물 전지는 탄소 플루오린화물을 양극으로, 전해질로는 플루오르화붕소(BF)를 사용한다. 이는 전자에 비해 에너지밀도가 높고 화재 위험이 낮다. 하지만 고전력에 적합하지 않고 사용 초기에 전압 지연이 심하다는 단점이 있다. 이번 프로젝트에는 미국 카네기멜런대 연구진이 참여하고 있다. 이들은 리튬 일차전지뿐 아니라 저렴한 소듐(Na)을 이용한 소듐 일차전지를 만드는 것이 목표다. 미군은 이르면 올해 말 연구를 마치고 새롭게 개발한 리튬 일차전지를 보급한다는 얘기가 있을 정도로 연구 속도가 빠르다고 발표했다. 나아가, 리튬/탄소 플루오린화물 전지에 주목하는 곳은 군대뿐만이 아니다. 미 항공우주국(NASA·나사)도 우주 탐사에 이 기술을 활용하려고 시도하고 있다. 전지 업체 두 곳의 제품을 받아 시험한 이후 우수한 성능의 전지를 선정한다는 계획을 발표했다.

한국군도 리튬/탄소 플루오린화물 전지 개발에 나섰다. 국방과학연구원(ADD)은 2020년부터 올해까지 ‘리튬계 일차전지 기술 개발’이라는 이름의 연구 과제를 수행하고 있다. ADD는 기존 리튬 일차전지보다 2배 이상의 에너지밀도를 내는 것을 목표로 연구하고 있다. 필름 형태의 파우치 셀로 만들면 에너지밀도를 크게 높이면서도 다양한 구조로 만들 수 있다.

하지만 세계 각국의 군대는 일차전지에서 이제는 이차전지를 조금씩 상용화하려고 시도하고 있다. 일차전지가 이차전지보다 1회 사용 시 수명과 에너지밀도가 높지만, 이차전지는 가격 측면에서 경제성을 확보할 수 있기에 앞선 성능을 모두 갖춘 최첨단 배터리를 개발하기 위해 노력하고 있다.

[자료 7. Mission Master XT]

출처 : Overdefence

현재 미국 국방성은 국방 혁신 부서(Defense Innovation Unit, DIU)를 통해 GM 디펜스와 군용전기차 배터리 시스템을 개발하고 있다. GM 디펜스는 GM 그룹 내 주력 전기차에 탑재할 얼티엄 배터리 플랫폼을 군용으로 활용할 수 있도록 추가 연구를 진행하는 것으로 알려진다. 미군은 병사들의 휴대 장비 전자화에 따라 추가적인 전원 공급을 위해 개인 휴대용 이차 전지인 CWB(Comformable Wearable Battery)도 개발했다. 또한 독일 방산업체 라인메탈(Rheinmetall)은 수륙 양용 무인 장갑차 ‘미션 마스터 XT(Mission Master XT)’에 이차전지를 적용했다. 미션 마스터 XT는 리튬이온전지가 탑재되어 최대 6시간의 무음 감시 작전 수행이 가능하고, 디젤 엔진으로 충전 없이 최대 750km 주행할 수 있다.

일본도 최신 잠수함에 리튬이온 배터리 등의 이차전지를 활용하고 있다. 일본의 다이게이급 잠수함은 리튬이온 배터리로 운용되며 수중 작전 중 리튬이온 배터리로 동력을 전환하면 사실상 소리가 나지 않아 적 잠수함이 탐지하기도 어렵다. 중국 역시 향후 잠수함에 리튬배터리를 적용하기 위해 연구를 진행하고 있다.

[자료 8. 경어뢰 '범상어']

출처 : 나우뉴스

우리 군도 어뢰를 비롯해 잠수함, 전차 등 다양한 무기체계에 이차전지를 전력원으로 사용하기 시작했다. 전기 추진 방식 경어뢰인 ‘홍상어’와 중어뢰인 ‘범상어’는 리튬배터리 등 이차전지를 사용하는 것으로 알려졌다. 한화오션이 2025년부터 건조하는 ‘장보고-Ⅲ 배치-Ⅱ’ 잠수함에는 국내 기업이 개발한 리튬이온 전지가 최초로 탑재될 예정이다. 내년부터 건조하는 한화오션의 차세대 잠수함은 리튬이온 배터리가 최초로 사용된다. 현대로템은 차륜형 장갑차에 수소연료전지 시스템과 리튬이차전지를 통합한 파워팩을 개발하고 있다.

 

국가와 아군을 지키는 방법

[자료 9. 현대로템의 차륜형 장갑차]

출처 : 비즈한국

앞서 살펴본 것처럼 세계 각국은 화재위험이 높은 일차전지의 위험성을 해결하기 위해 노력하고 있으며, 이는 곧 리튬배터리(Lithium Battery) 자체의 안정성에 대한 연구로 이어질 것이다. 이제서야 이차전지로 변화하는 시기인 만큼, 현재 군용이차전지 투자와 확보에 열을 올리고 있다. 이차전지가 군에서도 무기의 전력원으로 그 중요성이 커지고 있지만 중국 의존도가 높아 안정적인 확보가 필요하다. 현재, 이차전지 핵심 소재인 인조흑연을 비롯한 불화수소는 둘 다 중국 의존도가 90%에 달해 공급망이 불안정한 상황이다. 최첨단 군용장비에 해당하는 어뢰, 잠수함, 장갑차 같은 첨단 장비와 드론, 로봇 등 무인 체계를 사용하기 위한 핵심 동력원인 군용이차전지의 수요가 급증할 것으로 예상된다. 그러나 이차전지의 핵심 소재부터 원자재까지 중국 의존도가 심한 상황에서 안정적인 공급망을 확보하려면 정부와 기업이 투자와 지원이 필요할 것이다.

미래전은 첨단 무기와 장비들이 얼마나 효율적이고 강력한 전지를 탑재의 여부가 중요할 것이다. 따라서 앞으로의 전쟁은 승패에 큰 영향을 끼치는 ‘배터리 전쟁’이 될 가능성이 크다. 다만 이차전지가 장비들에 많이 적용되지 못한 터라 현재 시점의 공급망 대책에는 포함되지 않은 것으로 전해졌다. 군에서 사용할 미래 동력인 이차전지 개발 및 초격차 기술 확보를 위해 정부가 과감히 지원이 필요할 것이다. 이를 토대로 안정적인 전력 공급이 가능한 군용배터리를 만들어 군대 자체의 ‘에너지 안보’를 이룩해야 할 것이다. 어쩌면 전쟁은 총과 폭탄으로 사람을 해하는 것을 넘어, 인류애와 추억, 이제는 국가 경제와 자원을 위협하는 또 다른 전쟁이 되지 않을까?  

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배터리 화재에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. " 또 너냐 배터리 화재, 이번엔 전기자전거다! ", 23기 김태현, https://renewableenergyfollowers.org/4304

또 너냐 배터리 화재, 이번엔 전기자전거다!

2. "[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?", 23기 김용대, https://renewableenergyfollowers.org/4110

[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?

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참고문헌

[전쟁과 배터리]

1) 임상훈, "우크라이나 전쟁을 막을 수 있었던 결정적 장면들"오마이뉴스, 2022.03.29, https://www.ohmynews.com/NWS_Web/Series/series_premium_pg.aspx?CNTN_CD=A0002821641

[시대에 뒤쳐지는 군용배터리]

1) 이병철, "[밀리터리테크] 폭발 없는 리튬일차전지, 군이 주목하는 이유는", 비즈조선, 2023.07.26,  https://biz.chosun.com/science-chosun/technology/2024/07/26/5KEZY4TTUVEXFLG4OOZAPH2HJI/

[아군을 지키는 군용 시한폭탄]

1) 박장군, "[단독] 이상징후 없었는데 ‘펑’… 매년 10차례 군용 배터리 폭발", 국민일보, 2023.10.10, https://www.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=001874570

2) 손성배, "[단독] 육군에 납품한 아리셀 전지 3번 터졌다…"리튬 폭탄 격", 중앙일보, 2024.07.10, https://www.joongang.co.kr/article/25262429

3) 이정미, "군인 손에 들린 '시한폭탄' 리튬 전지...대책은?", YTN, 2020.04.28, https://www.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0018745700

[변화하는 군용배터리]

1) 유용원, "군용전지 실태와 전망", 배터리인사이드, 2022.04.26, https://inside.lgensol.com/2022/04/%ea%b5%b0%ec%9a%a9-%ec%a0%84%ec%a7%80-%ec%8b%a4%ed%83%9c%ec%99%80-%ec%8b%9c%ec%9e%a5-%ec%a0%84%eb%a7%9d/

2) 전현건, "'배터리 전쟁' 임박했는데, 군용 2차전지 태반이 중국산", 비즈한국, 2024.10.11, https://www.bizhankook.com/bk/article/28378

[국가와 아군을 지키는 방법]

1) 정민하, "상상인證 “탈로스, 고성능·안전성 등 군 배터리 시장 최적의 조건 갖춰”", 국민일보, 2023.12.26,  https://biz.chosun.com/stock/market_trend/2023/12/26/SXFZ2XLUZJGH3GV2ZYQTYVA5NI/