[기술리포트] 배터리의 구조부터 화재 위험까지: 데이터센터 UPS 배터리의 모든 것

 

 

[ kt cloud DC동부운용센터 박지현 님 ]

📋 요약

데이터센터 UPS 배터리의 충·방전 원리와 납, NMC, LFP 등 배터리 종류별 특징을 비교하고,

열폭주로 인한 화재 발생 원인과 예방 방법을 소개합니다.

 

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지난 포스팅에서 데이터센터의 무중단 서비스를 위한 핵심 인프라인 UPS(무정전 전원 장치)의 구조와 원리에 대해 살펴보았습니다. 이번 시간에는 UPS에서 에너지를 저장하는 핵심 구성 요소인 배터리의 구조 원리 및 효율적인 관리 방안에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

2025.07.15 - [Tech Story/Data Center & Security] - [기술리포트] 데이터센터에서 UPS의 역할: 데이터센터가 정전에 대비하는 방법

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배터리의 기본 구조 및 충·방전 원리

금속의 이온화 경향(아연은 구리보다 이온화 경향이 큼) (자료: 티칭백과)

배터리는 양극(+, Cathode)과 음극(-, Anode)의 산화(Oxidation) 반응과 환원(Reduction) 반응에 의해 작동합니다. 배터리의 양극과 음극에 사용되는 물질은 전자를 잃거나 얻으려는 경향, 즉 이온화 경향이 다릅니다. 이온화 경향이 큰 물질은 전자를 쉽게 잃으려는 성질이 강하고, 반대로 이온화 경향이 작은 물질은 전자를 얻으려는 성질이 강합니다.

이러한 이온화 경향 차이에 의해 배터리의 양극과 음극은 충전과 방전 과정에서 서로 반대되는 화학 반응을 반복하며 에너지를 저장하고 사용합니다.

최초의 화학전지인 볼타 전지의 구성 및 원리(자료: Chemistry 302)

• 배터리 충전(Charging)

배터리 충전 시 양극에서는 외부 전원에 의해 전자를 잃는 산화 반응이 일어나고, 음극에서는 외부 전원에서 전자를 얻는 환원 반응이 일어납니다. 전자는 산화 반응이 일어나는 양극에서 나와 도선을 통해 음극으로 이동합니다. 전류의 방향은 전자의 이동 방향과 반대라는 정의에 따라 음극에서 양극으로 흐릅니다.

• 배터리 방전(Discharging)

배터리 방전 시에는 충전과 반대로 양극 전자를 얻는 환원 반응이 일어나고, 음극에서는 전자를 잃는 산화 반응이 일어납니다. 전자는 산화 반응이 일어나는 음극에서 나와 도선을 통해 양극으로 이동합니다. 전류의 방향은 전자의 이동 방향과 반대라는 정의에 따라 음극에서 양극으로 흐릅니다.

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데이터센터에서 사용되는 배터리 종류별 특징 비교

데이터센터에서는 정전 시 전원 공급을 위해 납 배터리, 리튬이온 배터리 등 다양한 종류의 배터리를 적용할 수 있습니다. 다음으로 UPS에서 널리 사용되고 있는 배터리 종류에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

• 납(Lead-acid)

납 배터리는 오랜 기간 다양한 분야에서 응용되며 안정성이 검증된 배터리입니다. 양극과 음극으로 모두 납을 사용하며 생산 과정이 비교적 간단하여 제조 단가가 낮습니다. 배터리 충전 시에는 양극은 황산납(PbSO4)에서 이산화납(PbO2)로 산화되고, 음극은 황산납에서 납으로 환원됩니다. 배터리 방전 시에는 양극은 이산화납에서 황산납으로 환원되고, 음극은 납에서 황산 납으로 산화됩니다.

유리섬유 매트를 통해 전해액을 흡수하는 AGM 배터리 구조(자료:UFine)

차세대 납축전지 기술이 적용된 AGM(Absorbent Glass Mat) 배터리는 양극과 음극 사이에 특수 다공성 미세 섬유 유리 매트가 전해액을 흡수하는 방식이 사용되어 기존 납 배터리 대비 누액 위험성을 없애고 유지보수의 편의성을 높였습니다.

유리 매트에는 공극이 존재하여 양극에서 생성된 기체 상태의 산소가 음극으로 이동할 수 있게 하여 물을 형성하는데, 이를 통해 물을 보충할 필요가 없어져 운용 편의성이 좋아지고, 배터리의 잦은 충전 및 방전 환경에서도 수명을 유지할 수 있도록 개선된 배터리로서 데이터센터 UPS 시스템에 많이 사용됩니다.

 

• 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(Lithium nickel manganese cobalt oxides, NMC)

NMC 배터리 구성요소(자료: LG에너지솔루션)

리튬 니켈 망간 코발트 산화물 배터리는 양극으로 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co)의 세 가지 금속을 혼합한 양극재를 사용하여 삼원계 배터리라고도 합니다. 니켈, 코발트, 망간의 구성 비율에 따라 NMC811, NMC622 등의 종류가 있습니다. 니켈의 비율이 높을수록 에너지 밀도가 높아, 니켈 비율이 높은 NMC 배터리를 하이니켈(High-Nickel) 배터리라고 합니다. 음극으로는 안정성이 높은 흑연(Graphite)을 주로 사용합니다. 리튬 이온이 분리막(Separator)을 통해 양극과 음극 사이를 이동하며 충전 및 방전이 이루어집니다.

리튬이온 배터리 원리 (a): 충전, (b): 방전 원리(자료:ResearchGate)

공칭 셀 전압은 3.6-3.7V이며 높은 에너지 밀도를 제공하는 결정 구조를 가져 백업 시간(Back-up Time)이 길고 납 축전지 대비 크기가 1/3로 줄어 공간 효율이 높다는 장점이 있지만 상대적으로 배터리 내부 구조가 불안정하여 열폭주(Thermal Runaway)에 따른 화재 발생 위험이 크다는 단점이 있습니다.

• 리튬 인산철(Lithium iron phosphate battery, LFP)

리튬인산철 배터리 구조(자료: GYCX SOLAR)

리튬 인산철 배터리는 양극재로 리튬인산철(LiFEPO4)을 사용하고, 음극으로는 흑연을 사용합니다. 리튬인산철은 결정 안에서 인과 산소의 결합이 매우 강하기 때문에, 과충전 및 고온에서의 분해, 결정 구조 붕괴에 의한 산소 방출이 쉽게 일어나지 않아 이상 발열이나 발화에 대한 안정성이 높고 충·방전 사이클 수명이 우수하다는 특징이 있습니다.

 

공칭 셀 전압은 3.3-3.4V이며 전압이 낮을수록 저항으로 인한 손실이 커지기 때문에 다른 리튬 이온 배터리 유형보다는 에너지 밀도가 낮지만, 납 축전지 대비로는 4~5배의 에너지 밀도를 가집니다. 다른 리튬 이온 배터리와 유사하게 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 충전 및 방전이 이루어집니다.

구분	Lead-Acid	NMC	LFP
크기	기준	Lead-Acid 대비 1/3	Lead-Acid 대비 1/2
재료	납산(Lead-acid) 계열	니켈, 코발트, 망간	리튬, 인산철
공칭 셀 전압(V)	2.1	3.6-3.7	3.3-3.4
수명(Cycle)	200-300	1000-2000	2000+
에너지 밀도(Wh/kg)	35-40	250-350	150-200
부식	O	X	X

UPS용 배터리 비교표(자료: Maxworld Technologies)

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배터리의 화재 발생 원인 및 예방법

앞서 살펴본 것처럼 리튬이온 배터리는 기존 배터리 대비 성능이 뛰어나 데이터센터를 포함하여 여러 산업 분야에서 활용이 크게 늘고 있습니다. 하지만 최근 빈번하게 발생하는 화재 및 폭발 사고로 인해 사회적 이슈가 되고 있기도 합니다. 다음은 배터리 화재의 발생 원인 및 예방법에 대해서 알아보겠습니다.

• 배터리 화재의 발생 원인

배터리 화재 개략도(자료: 한국화재보험협회)

리튬이온 배터리 화재의 원인은 크게 전기적 원인과 열적 원인으로 구분할 수 있습니다. 배터리 운용 중 다양한 원인에 의해 배터리의 구조가 손상되어 온도가 비정상적으로 상승하는 열폭주(Thermal Runaway) 현상이 일어나게 되면 온도가 급격하게 상승하여 화재로 이어지는 것입니다.

 

대표적인 전기적 원인으로는 과충전(Overcharge)이 있습니다. 과도한 충전으로 가용한 리튬 이온이 부족해지면서 전해액이 분해되어 가스와 압력이 증가하고, 결국 내부 단락(Short)이 일어나 열폭주가 유발됩니다.

 

대표적인 열적 원인으로는 기상 조건이나 냉각시스템의 문제 등으로 인한 환경 악화가 있습니다. 외부 열원에 의해 배터리 내부 온도가 증가하면, 배터리의 구조가 파괴되며 가스가 생성되고 내부 양극과 음극의 단락이 발생하여 열폭주가 유발됩니다.

 

• 배터리 화재의 예방법

데이터센터 배터리 화재를 예방하는 위해서는 먼저 안정성이 확보된 배터리를 사용하는 것이 중요합니다. 배터리의 충·방전 과정에서 배터리의 구조가 불안정해져 양극과 음극이 단락되고, 화재의 위험성이 급격히 증가하며 열폭주에 의해 주변 배터리로 빠르게 확산되기 때문에 배터리 화재를 예방하기 위해서는 먼저 안정성이 확보된 배터리를 사용하는 것이 중요합니다.

 

또한 철저한 관리를 통해 과열과 과충전을 예방하는 것도 배터리 화재를 핵심 요소입니다. 배터리 모니터링 시스템(BMS)을 통해 모든 셀의 전압, 전류, 저항 및 온도를 실시간으로 모니터링하고 이상징후가 포착될 시 신속히 조치할 수 있는 시스템을 갖춰야 하며, 배터리의 설치 철거 등의 작업 시에는 안전 수칙을 철저히 준수하여 배터리에 가해지는 물리적 충격을 최소화하여야 합니다.

 

추가적으로 적합한 성능을 갖춘 공조시스템(HVAC System)을 구성하여 배터리실 내 온도와 습도를 제조사 권장 범위 내로 정밀하게 유지하고, 과충전에 의한 화재 발생을 방지하기 위해 배터리의 충전 전압 및 상태도 최적의 상태로 관리해야 합니다.

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안전한 데이터센터를 만들기 위한 kt cloud의 노력

kt cloud는 데이터센터의 안정성 확보를 위해 배터리의 안전성, 신뢰성, 친환경성, 그리고 최신 규제 준수 등 다각적인 측면에서 선도적인 대응 전략을 이행하고 있습니다.

 

이를 위해 데이터센터 내 배터리는 구조적 안정성이 검증된 납 및 리튬인산철 배터리만을 채택하고 있습니다. 모든 축전지 도입 시에는 엄격한 제조사 검증 프로세스를 거쳐 신뢰성을 확보한 제품만을 실제 데이터센터에 적용하고 있습니다.

 

또한 전체 데이터센터에 배터리 모니터링 시스템(BMS)을 적용하여 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고 있으며, 20년 이상 축적된 데이터센터 운용 전문성을 바탕으로 최고 수준의 정밀 진단을 주기적으로 시행하고 있습니다. 나아가, 정기적인 긴급 복구 모의 훈련을 통해 효율적인 비상 대응 체계를 확립하고, 최고 수준의 위기 대응 능력을 확보하고 있습니다.

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 데이터센터에서 주로 사용되는 배터리 종류는 무엇이며, 각 종류의 핵심적인 장점과 단점은 무엇인가요?

A. 데이터센터 UPS에는 주로 납 배터리(AGM 포함), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 그리고 리튬인산철(LFP) 배터리가 사용됩니다. 납(Lead-acid) 장점: 오랜 기간 검증된 기술, 안정성 단점: 상대적으로 낮은 에너지 밀도 (AGM은 유지보수 편의성 개선) 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(Lithium nickel manganese cobalt oxides, NMC) 장점: 높은 에너지 밀도, 긴 백업 시간, 높은 공간 효율 단점: 구조 불안정으로 인한 열폭주(Thermal Runaway) 및 화재 발생 위험이 큼 리튬 인산철(Lithium iron phosphate battery, LFP) 장점: 리튬인산철의 강한 결합 구조 덕분에 매우 높은 열적 안정성과 화재 안정성, 우수한 충·방전 사이클 수명 단점: NMC 대비 낮은 에너지 밀도

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📚 관련/출처

Voltaic Cells - Chemistry 302 Whiterpaper: Comparing Different Types of UPS Batteries AGM Battery vs Regular Battery: Which One is Right for You? 배터리 용어사전 – 삼원계 배터리 이해하기 - LG에너지솔루션 AGM 배터리와 딥 사이클 배터리 이해 About the LFP Battery - First Phosphate Corp (a) Charging and (b) discharging of Li-ion battery. - ResearchGate About the LFP Battery - First Phosphate Corp EP Equipment | Li-ion Battery Safety: NMC vs LFP Analysis 리튬인산철 배터리 방전 및 충전 방법(LiFePO4)? - GYCX 태양광 스마트 에너지 솔루션 주목받는 리튬인산철(LFP) 배터리 - IRS Global LFP Vs NMC- Lithium battery - LFP battery Vs NMC battery