1. 개요
시중에 판매되는 기성품 배터리 팩을 구매하여 사용하는 것도 가능하지만, 전기·전자 및 배터리 관련 지식이 있을 경우 배터리 팩을 DIY로 제작하거나 수리하여도 된다. 중고 배터리를 재활용하거나 기존 배터리 팩의 수명을 연장하여 비용을 절약하고 환경도 보호할 수 있다. 특히 상용 배터리팩이 맞지 않는 제품[1]에 배터리를 적용하려 할 때 유용하다.2. 사용 도구 및 재료
- 배터리 - 주로 리튬이온 전지가 사용되나, 용도에 따라 니켈 계열 등 다른 배터리를 사용하는 것도 가능하다.
- 보호 회로 - 배터리 팩의 배터리들을 과충전, 과방전으로부터 보호해주며, 과열 보호나 배터리 셀간 밸런싱 기능을 탑재하는 경우도 있다. 납 축전지나 니켈 계열 축전지 사용시 생략 가능하다.
- 밸런싱 회로 - 여러개의 배터리가 직렬된 배터리 팩을 장기간 사용시 배터리간 충전 전압이 달라지는 문제점이 발생한다. 이를 보완하기 위하여 밸런싱 회로가 사용된다. 밸런싱 회로에는 수동형과 능동형이 있는데 수동형은 배터리가 완충전압 직전까지 충전될 경우 저항기를 통해 방전시키는 방식으로 작동하며, 능동형은 인덕터나 커패시터를 사용하여 한 배터리에서 다른 배터리로 전력을 옮기는 방식으로 작동한다. 전자는 저렴하나 에너지 효율이 떨어지며, 후자는 에너지 효율이 높으나 비싸다는 장단점을 가진다.
- 납땜 인두 - 니켈판을 회로기판 또는 배선과 연결하기 위해 사용된다. 배터리 셀을 직접 납땜하는 것은 고온으로 인한 손상 우려가 있으므로 자제해야 한다.
- 그라인더 - 배터리의 스폿 용접 흔적을 제거하기 위해 사용된다.
- 니퍼, 피복 제거기 - 전선을 자르거나 피복을 벗기기 위해 사용된다.
- 스폿 용접기 - 순간적인 고전류로 접촉부의 니켈판을 녹여 배터리와 용접시키는 도구이다. 시판되는 제품을 구매하여도 되나, 전자레인지 변압기를 개조하거나 슈퍼 커패시터를 사용하여 DIY하는 경우도 있다.
- 멀티미터 - 배터리 및 기타 전자부품의 상태를 점검하기 위해 사용된다.
- 니켈판 - 배터리와 배터리, 배터리와 보호회로 사이에 서로 연결해주는 배선 역할을 한다.
- 수축 튜브 - 보통 전선 절연용으로 쓰이나, 피복이 손상된 배터리에 피복을 다시 입히는 용도로 사용하는 넓은 수축 튜브도 있다.
- 고리형 절연지 - 니켈판의 예리한 부분이 원통형 배터리(18650 등)의 얇은 절연 튜브를 뚫고 쇼트를 일으키지 못하도록 배터리의 +극 주변을 보강하는 목적으로 사용된다. 절연지를 사용하지 않을 경우 배터리 팩이 진동이나 충격을 받는 과정에서 쇼트가 발생할 수 있다.
- 에폭시판 - FR-4 인쇄 회로 기판과 동일한 재질의 판으로, 배터리 셀(특히 각형 배터리)끼리 부딪혀 손상되지 않도록 보호하기 위해 사용된다.
- 3D 프린터 - 필수적이지는 않으나, 배터리 홀더나 배터리 팩 케이스, 기타 부속품 등을 만들 때 매우 유용하다.
- 수조 또는 모래상자 - 배터리에서 열폭주가 발생하거나 또는 과열 등 화재/폭발 전조증상을 보일 경우 집어넣어 추가적인 사고를 방지할 수 있다.
3. 조립 및 분해
원통형 배터리들을 전기적으로 연결시킬 때는 보통 니켈판을 단자에 대고 스폿 용접기를 사용해 용접시킨다. 파우치형의 경우 스폿 용접을 해도 되지만, 단자 재질이 알루미늄이라면 용접이 어려우므로 구멍을 뚫고 볼트로 연결시켜야 한다. 각형 배터리는 볼트와 부스바로 연결한다.납땜으로 배터리들을 연결하는 것도 가능하나, 배터리를 과열시켜 손상되게 만들거나 심하면 화재 및 폭발로 이어질 수 있으므로 권장되지 않는다. 부득이하게 배터리를 직접 납땜할 경우 칼팁 등 접촉 면적이 넓은 인두팁을 사용하여 3초 이내로 빠르게 납땜해야 한다.
원통형 배터리를 이용해 배터리 팩을 조립할 경우 배터리의 양극(+) 둘레에 추가적인 절연 작업을 할 필요가 있다. 그렇지 않으면 배터리 팩이 충격이나 압력을 받는 등의 상황에서 니켈판이 배터리의 피복을 손상시키고 음극(-)인 배터리 몸체외 합선을 유발할 수 있기 때문이다.
배터리 팩의 조립이 완료되었다면 보호회로(BMS)를 장착 및 사용한다. 여러 배터리들이 직렬되어 있는 배터리 팩의 경우 각 배터리의 중간 연결 지점에도 전선을 연결시킨다. 보호회로가 각 셀의 전압을 체크해야 하기 때문이다.
화재나 폭발이 걱정된다면 처음부터 보호회로가 장착된 배터리들을 직병렬하여 자작 배터리 팩을 만드는 것도 가능하지만, 보호 회로를 두번이나 거치게 되므로 효율은 떨어진다. 배터리 팩의 분해/조립 작업 도중 배터리 화재가 발생하는 경우에 대비하여 배터리 팩 전체를 침수시킬 수 있는 크기의 수조[2]를 준비하는 것도 도움이 될 수 있다.
아예 리튬인산철(LiFePO4), 리튬티탄산(LTO), 납 축전지, 니켈계열 축전지 등 다른 유형의 배터리를 대신 사용하는 방법도 있다. 이들은 일반적인 리튬 이온 배터리보다 폭발 및 화재 위험이 낮다는 장점이 있지만, 에너지 밀도가 떨어진다는 단점도 가진다. 그러나 다른 리튬계열 배터리들의 경우 안전함에도 불구하고 여전히 전안법 규제 대상이므로 구매 자격에 제한을 거는 일이 흔하다.
배터리 팩 분해시에는 일반 드라이버로 나사를 풀거나 일자 드라이버 등 납작한 공구를 틈에 넣어 벌려도 되지만 제품에 따라 특수한 형태(육각별, 삼각형 등)의 나사로 조립하였거나 초음파 용접으로 케이스를 접합하여 분해를 어렵게 만든 경우가 있다. 이러한 팩을 분해하려면 전용 드라이버를 사용하거나 케이스를 절단해야 하는데, 절단시 공구가 내부 배터리를 손상시키지 않도록 주의해야 한다.
분해하여 얻은 원통형 배터리는 스폿 용접으로 인한 니켈 잔재물로 인해 임의로 용접하기 어려운 상태이다. 소형 그라인더를 이용하여 이를 제거하면 스폿 용접이 가능한 평평한 표면으로 만들 수 있다. 그러나 그라인더로 너무 깊게 갈아내서 배터리의 금속 케이스가 얇아지게 되면 스폿 용접시 구멍이 뚫려 화재나 폭발의 원인이 될 수 있으므로 적당히 갈아내야 한다.
스폿 용접에 익숙하지 않을 경우 알카라인 폐건전지나 어차피 버릴 충전지에 미리 연습하는 것도 도움이 된다. 일부 스폿 용접기는 출력 조절이 가능하므로 용접이 너무 약하거나 강하게 될 경우 적당히 조절하여 사용할 수 있다.
4. 단전지 취득
단전지는 배터리 팩으로 조립되지 않은 개별 배터리로, 자작 배터리 팩의 재료로도 흔히 사용된다. 그러나 2017년부터는 이를 구하기 어렵게 되었다. 폭발 및 화재 우려로 전기용품 및 생활용품 안전관리법이 개정되었기 때문이다. 개정된 내용에 따르면 18650, 21700 등의 비보호 리튬 이온 전지(단전지)는 공업용 전자부품으로 기업간 거래만 허용되며, 일반 소비자에게 판매하는 것이 금지된다.[3] 관련 영상 또한 2019년부터는 이에 대한 단속도 강화되어 관련 업체가 아닌 개인이 단전지를 구하기는 힘들어졌다.이 법적 규제가 리튬 이온 배터리에 대해 무지한 일반 소비자와 관련 지식이 있는 DIY 배터리 팩 제작자를 전혀 구분하지 않는다는 문제도 있다. 배터리 기능사나 전기·전자 관련 유자격자에게는 개인 판매를 허용하는 등 더 합리적인 방안이 있겠으나, 아직 논의조차 없는 상황이다. 오히려 이러한 규제로 인해 완제품을 분해하는 방식으로 우회해야 해서 분해 도중 화재, 폭발, 감전[4]과 같은 위험에 노출되게 된데다가, 멀쩡히 구매할 수 있던 배터리를 국가에서 사실상 위험물로 지정시킨 꼴이여서 관련 커뮤니티에서는 전안법이 악법 취급을 받고 있다.
전안법 개정 이후로 다수의 판매처들이 불시 단속에 걸려 처벌받는 사례들도 발생했다. 온라인에서는 관련 제품을 아예 웹사이트에서 내려버리거나, 판매 페이지에 락을 걸고 사업자로 신분 확인된 고객에게만 열람/구매 권한을 주는 등 배터리 판매와 관련해 큰 변화가 생겼다. DIY 부품 전문 사이트도 예외는 아니여서 페이지엔 "DIY용 배터리"라 소개되지만 사업자만 구매 가능한 경우도 흔하다. 오프라인 구매시에도 사업자 등록증이 필요하다. 판매처에 따라 다르나 사업자여도 관련 업종이 아니면 구매하기 어려울 수 있다.
그러나 개인이 단전지를 구하는 것이 아예 불가능하지는 않다. 다음과 같은 방법들이 있다.
- 보호회로 배터리 분해 - 개별 보호회로 배터리에서 외장 튜브를 벗겨내고 부착된 보호회로를 제거하는 방식이다. 소량의 배터리가 필요할 때는 유용하나, 수십~수백개의 배터리가 필요한 대용량 배터리 팩을 제작할 경우 비경제 및 비효율적이다. 단전지가 필요한 개인을 위해 외장 튜브와 보호회로를 쉽게 제거할 수 있도록 만들어진 제품도 있다.
- 배터리 팩 분해 - 완성된 배터리 팩[5]을 분해하는 방법이다. 배터리가 많이 필요할 경우 유용하다. 하지만 시판되는 배터리 팩은 소비자 보호를 위해 케이스를 초음파로 접합하거나 특수 드라이버로만 풀 수 있는 나사를 사용하는 등 분해가 어렵도록 만드는 경우가 흔하다. 일반인이 단전지를 구입할 수 있는 국가에서도 중고 배터리가 더 저렴하기에 해외에서도 흔히 사용되는 방법이다.
- 해외직구 - 국내에서 일반인이 단전지를 합법적으로 구매할 수 있는 유일한 방법으로, 스폿 용접 흔적이 없는 미사용 단전지를 구할 수 있다는 장점도 있다. 그러나 위험 화물로 분류되어 항공 운송은 원칙적으로 불가하며, 해상 운송의 경우도 선적을 거부하는 업체들이 있으므로 어려움이 따른다. 또한 일정 수량 이상 직구시 세관 통관 과정에서 걸릴 수 있으며, 배터리 용량이 표기된 것보다 훨씬 낮거나 심지어 모래 등 이물질만 채워진 가짜 제품을 판매하는 경우가 있으니 주의가 필요하다. 구매 가능 사이트는 여러 곳이 있으나, 알리익스프레스의 경우 비보호 배터리가 한국에서 유해 상품으로 간주되는 점을 인지했는지 2022~2023년 전후로 비보호 배터리 대부분에 한국 구매불가 지역락을 걸고 있다. 다만 도매몰인 알리바바엔 지역 제한이 없다.
참고로 관련 업체나 연구 기관의 관계자일 경우 일반인이 아님을 증명하는 서류(예: 사업자 등록증)를 판매처에 제출하고 용도까지 설명하면 단전지를 구매할 수 있다. 이는 공업용 화학약품[6] 구매시와 비슷한 수준의 절차이다. 또한 해외의 경우 단전지의 일반인 판매금지 규제가 없는 국가에서는 쉽게 구입 가능하며, 배터리 팩 자작 커뮤니티도 국내보다 활성화되어 있다. 다만 단전지의 위험성을 모르는 일반인의 오남용을 막기 위해 포장에 각종 경고문을 부착한 채로 판매되는 경우가 흔하다.
대다수의 보조 배터리와 달리 전동킥보드, 전기 자전거, 노트북, 무선 청소기 등의 배터리팩은 여러 개의 배터리가 직렬 및 병렬 되어있는 구조인데, 이러한 팩에서는 셀 일부가 먼저 열화되어 수명을 다하면 BMS가 전원 공급을 차단하여 팩 전체를 사용할 수 없게 만들도록 설계되어 있어 수명을 다해도 멀쩡한 배터리들이 포함된 경우가 흔하며, 이를 분해하면 다수의 단전지를 확보할 수 있다. 참고로 이러한 팩에 사용되는 보호회로는 임의 수리를 막기 위해 배터리 교체 감지시 작동이 중단되도록 설계하는 경우도 있으므로(출처) 재사용을 하려 한다면 앞서 테스트가 필요하다.
마찬가지로 전기자동차의 폐배터리도 멀쩡한 셀을 포함한 경우가 흔한데, 이를 이용하여 캠핑용 등으로 쓰이는 대용량 파워 뱅크를 만드는 경우도 있다. 그러나 이쪽 또한 사업자에게만 판매하는 경우가 흔하여 일반인이 접근하기는 어렵다.
대형 단전지는 더욱 구하기 어렵다. 원통형(18650, 21700 등)이나 파우치형의 소형 단전지는 보호회로를 부착하여 일반 건전지처럼 사용할 수 있도록 만든 경우도 있고, 다수의 상용 배터리 팩에서도 사용하기에 분해 등 우회적인 방법을 통해 구하기 쉬운 편이지만 대형 단전지를 사용하는 완제품은 흔치 않다.
2024년 4월 이전에는 전기자전거, 전동킥보드 등 개인형 이동장치의 배터리를 제외하고, 500Wh 이하의 용량을 가진 배터리 팩들은 KC 인증 비대상이었다. KC 인증 기관의 장비로 이를 측정했기 어렵기 때문이다. 이러한 점을 이용해 이 용량을 초과하는 대용량 단전지나 대용량 팩 형태로 묶어서 자작용으로 판매하는 경우도 있었으나 앞으로는 보기 어려워질 전망이다.
5. 주의사항
- 사용하는 배터리 종류(리튬이온, 니켈수소/카드뮴, 납축전지 등)에 상관 없이, 모든 배터리나 배터리 팩은 쇼트를 피해야 한다. 과전류로 인한 과열로 화재가 발생하거나, 배터리 또는 주변 물체가 손상될 수 있기 때문이다. 특히 리튬 이온 전지의 경우 폭발로 이어질 위험성이 있다.
- 보호회로는 배터리 유형에 맞는 보호회로만 이용해야 한다. 리튬이온용 보호회로는 리튬이온에만, 리튬인산철용 보호회로는 리튬인산철 배터리 팩에만 사용해야 한다. 또한 배터리의 직렬 개수에 따라 이에 맞는 보호회로를 사용할 필요가 있다. 예를 들어 배터리 3개를 직렬하여 배터리 팩을 만들었다면 3S 보호회로를 사용해야 한다. 또한 보호회로에 배터리 극성을 반대로 잘못 연결할 경우 보호회로에 치명적인 손상을 일으킬 수 있으므로 극성에도 반드시 주의해야 한다.
- 제조사, 용량 등이 다른 서로 다른 종류의 배터리들을 이용하여 팩을 조립하는 것은 피해야 한다.
- 중고 단전지의 경우 자가 방전이 발생하여 전압이 떨어지는 경우가 있다. 이를 배터리 팩에 사용시 같이 병렬된 멀쩡한 배터리들까지 방전시키므로 사용하지 말아야 한다. 배터리들을 동일한 전압으로 충전시킨 후 수 일간 방치한 뒤 멀티미터로 체크하면 자가방전이 되는 배터리를 가려낼 수 있다.
- 0V로 방전된 리튬 이온 배터리를 되살려내어 사용하는 것은 자제해야 한다. 완전 방전된 리튬 이온 배터리 내부에서는 집전체인 구리박이 전해액으로 녹아나오는 현상이 일어나는데, 이 상태에서 재충전하면 전해액에 녹아있던 구리가 결정화되어 분리막을 뚫고 합선을 유발할 수 있기 때문이다.
- 18650 등 원통형 배터리가 0V로 뜰 경우 CID(Current Interrupt Device)를 드라이버 등으로 눌러 리셋시킨 뒤 사용하는 행동도 하지 말아야 한다. 이 안전장치는 배터리 내부 압력이 높아지면 회로를 차단하는 역할을 하는데, 이를 리셋시켜 계속 사용하면 결국 폭발로 이어질 위험이 있다.
- 단전지나 배터리 팩을 KC 인증 없이 판매하면 불법인 것과 동일한 이유로, 자작 보조 배터리를 비롯한 자작 배터리 팩이나 개조된 상용 배터리 팩을 타인에게 판매, 양도, 대여해서도 안 된다. 이들 또한 KC 인증이 없기 때문이며, 개인 사용만 합법이다. 다만 총 용량이 500Wh[7]를 초과하는 배터리 팩은 USB 출력, DC-DC 컨버터 등 별도의 전력 변환 장치[8]가 없다면 KC 인증이 면제되므로 예외이다.
- KC 인증 문제는 배터리뿐 아니라 대다수의 자작 전자기기에도 해당하므로 전기·전자분야 DIY를 한다면 주의가 필요하다. 개별 전자부품이나 회로 모듈까지는 괜찮지만,[9] 이를 조립하여 만든 기기들을 타인에게 판매할 경우 전안법 혹은 전파법상 불법이다.
5.1. 경고 - 리튬이온 배터리의 열폭주 화재
| 자동차 연구소에서 전기차 배터리 업무경험이 있는 유튜버 공돌이파파의 배터리DIY 경고 영상. |
참고로 리튬이온 전지에는 순수한 리튬이 들어가지 않으므로 알칼리금속에 의한 금속 화재(D형)는 아니고, 인화성 전해질(B형), 리튬이온 배터리 내의 전기에너지(C형)가 종합된 화재로 보며, 배터리 주위의 가연성 물질에 불이 붙어 불이 번지는 것으로 이어지면 일반 화재(A형) 유형까지 혼합된다고 볼 수 있다.
전세계에서 리튬 이온 배터리 화재 및 폭발로 인한 사건사고가 매우 많다. 리튬이온 배터리 때문에 발생한 항공 사고들, 2022년 카카오 데이터센터 화재, 갤럭시 노트 7 연쇄적 배터리 폭발사고, 전동 킥보드들의 화재사고, 현대 코나 일렉트릭 연쇄 화재를 비롯한 LG 엔솔의 배터리를 사용한 전기차 화재들 등 수많은 사건들을 보면, 리튬이온 배터리의 위험성은 매우 높다. 특별한 보호장구와 진화장비 등 특별한 시설 없이 일반인들이 가정집에서 고용량 리튬이온 배터리를 DIY하는 것은 매우 위험하다. 이러한 위험성을 사전에 미리 알고 작업을 해야 하며, 관련 지식이 부족할 경우 아예 시도하지 말아야 한다.
- 배터리 팩을 분해하거나 단전지를 취급 또는 보관하는 도중 단자가 쇼트나거나 과열되지 않도록 각별히 주의해야 한다. 관련 지식이 없을 경우 함부로 분해하지 말아야 한다. 여름철 차 안이나 찜질방과 같은 고온의 장소에 보관하는 것 또한 절대 금물이다.
- 자작 배터리 팩은 비행기에 가지고 타지 않는 것이 매우 권장된다. 나무위키의 리튬이온 배터리 때문에 발생한 항공사고 문서만 봐도, 리튬이온 배터리팩의 화재는 항공기 운항에 있어서 치명적인 결과를 초래한다. 물론 이론적으로는 KC, CE, UL 등 안전기관의 인증을 받은 배터리팩은 최대 160Wh(대략 3.7V, 43000mAh)의 배터리까지 직접 기내에 가지고 탈 수 있지만, 수화물(부치는 짐)로는 용량 불문 절대 반입이 불가능하다. 또한 자작인 만큼 용량 확인도 어려울뿐더러 배터리 기내반입에 대해 엄격한 국가에서는 압수당할 가능성이 있기 때문이다.
- 배터리가 비정상적으로 과열되는 등 화재 또는 폭발 전조증상을 보인다면 배터리 전체를 침수시킬 수 있는 크기의 수조나 모래에 집어넣어야 한다. 리튬 이온 전지에는 리튬 금속이 없으므로 물에 침수되어도 알칼리 금속에 의한 폭발은 일어나기 어렵다. 오히려 과량의 물이 냉각재 역할을 하여 화재 및 폭발을 막아준다. 실제 전기차 화재 진압시에도 쓰는 방식이다.
6. 여담
- 해외에서는 단순 보조배터리나 캠핑용 파워 뱅크를 넘어서 전기자동차용 배터리나 가정용 에너지 저장장치[11]를 자작하는 경우도 있다.
- 미래에는 DIY 배터리 팩 자작시에도 옵션이 늘어날 것으로 전망된다. 예를 들어 4680 배터리는 개당 25000mAh의 대용량을 가지므로 대용량 파워뱅크나 랜턴 제작시에 주로 사용 가능할 것이다. 또한 나트륨 이온 전지는 가격이 저렴한데다 폭발 및 화재 위험이 낮아 해외의 DIY 커뮤니티에서 사용되고 있다. 국내에선 해외직구로만 구매 가능하지만 현행법상 KC 인증 대상이 아니라는 장점을 가진다.
7. 관련 문서
[1] 예: 원래 배터리를 사용하지 않던 기기, 자작품 등[2] 배터리 화재에 단순히 물을 뿌려 진압하면 위험하지만, 배터리 전체를 아예 침수시켜버리면 배터리가 식으므로 화재 -> 열 폭주 -> 추가적인 화재의 악순환이 끊어지게 되어 오히려 안전해진다. 실제 전기차 화재 진압시 사용되는 방법이기도 하다. 다만 배터리가 완전히 식지 않은 상태에서 꺼내면 다시 불이 붙으니 충분히 기다려야 한다.[3] 이를 무시하고 판매할 경우 KC 인증을 받지 않은 전자제품을 판매한 것으로 간주되어 3년 이하의 징역 또는 3천만원 이하의 벌금으로 처벌을 받게 된다. 물론 보호회로를 장착하고 KC 인증을 완료한 리튬 이온 전지는 자유로운 판매가 가능하다.[4] 배터리가 여러 개 연결되어 안전전압(대략 30V)을 초과하는 배터리 팩 한정. 일반 보조배터리는 감전 위험이 없다.[5] 비용이 저렴한 중고품이나 일회용 보조배터리 등이 주로 사용된다. KC 인증이 취소되는 일만 없다면 중고 제품도 자유로운 거래가 가능하다.[6] 이쪽 또한 화관법 및 화평관리법에 의해 안전확인이 되지 않은 제품의 일반인 판매가 금지된다.[7] 단전지의 용량이 3.7V 리튬이온 기준으로 135Ah, 3.2V 리튬인산철 기준으로 156Ah부터 500Wh 초과이다.[8] 변환 회로 자체는 KC 인증 대상이 아니지만, 이를 장착한 제품은 전파법상 KC 인증 대상이기 때문이다. (이를 우회하기 위해 이미 조립된 500Wh 초과 배터리팩에 변환 회로를 사용자가 장착하는 반조립 제품도 있다.)[9] 시중에 각종 전자회로 키트가 별도 인증 없이 합법적으로 판매될 수 있는 이유이기도 하다.[10] 니켈-망간-코발트 산화물(NMC) 등[11] 파워월(Powerwall)이라는 이름으로도 흔히 불린다.