1.전기차 배터리 냉각판 부식 원인과 알루미늄 냉각수 재질 호환성

전기차 배터리 냉각판 부식은 알루미늄 합금과 냉각수의 단순 접촉보다 Cl⁻, pH, 온도, 금속간화합물과 부식억제제의 영향을 함께 봐야 합니다. 냉각판 Pitting 발생 과정과 냉각수 재질 호환성 평가 방법을 분석합니다.

배터리를 식히는 냉각수가 오히려 냉각판을 공격한다면?

전기차 배터리는 충·방전과 급속충전 과정에서 열이 발생합니다. 그래서 배터리 셀 아래쪽에 얇은 Liquid Cooling Plate를 배치하고 내부 채널로 냉각수를 순환시키는 방식이 널리 사용됩니다.

냉각판에는 가볍고 열전도성이 좋은 알루미늄 합금이 유리합니다.

그런데 여기서 한 가지 문제가 생깁니다.

“알루미늄 냉각판 안으로 냉각수가 수년 동안 흐르면 정말 아무 일도 없을까?”

알루미늄에는 자연적으로 얇은 산화피막이 형성돼 상당한 내식성을 갖지만 냉각수의 화학조성, Cl⁻ 오염, pH, 온도, 합금의 미세조직과 억제제 상태가 달라지면 이 보호막이 불안정해질 수 있습니다.

그 결과 배터리 냉각판 부식은 넓은 면이 균일하게 녹는 것보다 작은 Pit가 깊게 성장해 얇은 냉각판을 관통하는 형태가 더 문제가 될 수 있습니다. 실제 EG-W 냉각수 연구에서도 알루미늄 합금의 주요 관심 손상으로 Pitting Corrosion이 확인됐습니다.

📷 실제 전기차용 알루미늄 냉각판

얇은 판 내부에 긴 유로가 형성돼 있다는 점을 눈여겨볼 필요가 있습니다. 열교환에는 유리하지만 국부 Pit가 판을 관통하기까지 필요한 깊이도 그만큼 작을 수 있다는 뜻입니다.

1. 냉각수는 그냥 물이 아니다

EV 배터리 냉각계에서는 일반적으로 물과 Glycol을 기반으로 한 냉각유체가 사용되며, 실제 재질 호환성은 Glycol 비율만으로 결정되지 않습니다.

냉각수에는 부식억제제가 포함될 수 있고 장기간 운전하면 이온 오염이나 화학적 변화도 고려해야 합니다.

특히 EV에서는 또 하나의 조건이 추가됩니다.

전기전도도입니다.

전남대학교 연구진은 EV 배터리 냉각시스템에서는 전류 누설 문제 때문에 냉각수의 전기전도도를 제한할 필요가 있어 기존 내연기관용 냉각수와 화학조성이 달라질 수 있으며, 이러한 변화가 알루미늄의 내식성에도 영향을 줄 수 있다고 설명했습니다.

즉,

열전달 성능 + 동결방지 + 전기적 특성 + 부식억제 성능

을 동시에 맞춰야 하는 문제입니다.

2. 알루미늄인데 왜 작은 구멍부터 생길까?

알루미늄의 내식성을 지켜주는 핵심은 표면의 Passive Film입니다.

정상적인 환경에서는 이 얇은 산화피막이 금속과 환경을 분리합니다. 하지만 Cl⁻가 존재하면 국부적으로 피막의 안정성이 떨어질 수 있습니다.

특히 알루미늄 합금에는 순수 Al만 있는 것이 아닙니다.

합금원소와 제조공정에 따라 다양한 Intermetallic Compound와 Precipitate가 존재합니다.

2023년 EG-W 냉각수 연구에서는 Cl⁻가 존재할 때 Pitting이 주로 금속간화합물 주변에서 관찰됐으며, 이를 금속간화합물과 주변 Al Matrix 사이의 국부적인 Galvanic Interaction과 연관지었습니다.

따라서 배터리 냉각판 부식은 다음처럼 이해할 수 있습니다.

건전한 Passive Film

→ Cl⁻ 접근

→ 금속간화합물 주변 국부 전기화학적 불균일

→ Passive Film Breakdown

→ Pitting Initiation

→ Pit 내부 국부환경 변화

→ 깊이 방향 성장

🔬 알루미늄 냉각판의 실제 국부부식 형태

이런 손상이 위험한 이유는 냉각판 전체 표면이 심하게 녹지 않아도 한두 개의 깊은 Pit가 유로 벽을 관통하면 Coolant Leakage로 이어질 수 있기 때문입니다.

3. 같은 알루미늄이라도 왜 결과가 다를까?

“알루미늄이면 비슷하지 않을까?”라고 생각하면 재질선정 단계에서 문제가 생깁니다.

합금마다 합금원소, 석출물의 종류와 면적분율, 미세조직이 다릅니다.

2023년 연구에서는 여러 Al-based Alloy를 EG-W 환경에서 비교했는데, 시험된 합금 가운데 A1040이 상대적으로 높은 공식저항성을 나타냈습니다. 연구진은 낮은 석출물 면적분율과 부동태피막 특성을 중요한 원인으로 분석했습니다.

하지만 이 결과를

“그러면 EV 냉각판은 무조건 A1040을 사용해야 한다.”

라고 해석하면 안 됩니다.

실제 냉각판에는 열전도성뿐 아니라 성형성, Brazing 또는 FSW 접합성, 강도, 두께, 제조비용, 냉각수 조성까지 함께 고려해야 하기 때문입니다.

4. 냉각수 pH와 Cl⁻는 얼마나 중요할까?

상당히 중요합니다.

최근 7A09 알루미늄 합금을 Propylene Glycol 냉각수에 노출한 연구에서는 50~80°C, pH 4~9, Cl⁻ 30~90 mg/L 조건을 변화시키며 부식거동을 조사했습니다. 이는 특정 합금과 시험조건의 연구범위이지 EV 냉각수의 허용기준을 뜻하지는 않습니다.

이 연구가 보여주는 중요한 점은 알루미늄의 내식성을 평가할 때

“Glycol 냉각수를 사용했다.”

라는 정보만으로는 부족하다는 것입니다.

최소한

평가항목	부식과의 관계
pH	Passive Film 안정성
Cl⁻	Pitting 개시 위험
온도	전기화학 반응 및 피막 안정성
Glycol 농도	유체 특성·부식환경 변화
억제제	Passive Film 보호
전기전도도	EV 냉각계 전기적 요구조건
금속이온	냉각계 열화의 간접지표

를 함께 확인해야 합니다.

5. 부식억제제를 많이 넣으면 해결될까?

여기에서도 “많이 넣으면 좋다”는 접근은 피해야 합니다.

2023년 연구에서는 Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate(SDBS)를 넣지 않은 EG-W 환경에서 알루미늄 합금의 Passive Film이 불안정하게 나타났지만, SDBS 첨가 후에는 피막 안정성과 Pitting Resistance가 향상됐습니다. 연구진은 억제제가 Cl⁻의 침투를 방해하면서 공식과정을 억제하는 것으로 해석했습니다.

하지만 이것은 특정 억제제를 특정 시험환경에서 평가한 연구결과입니다.

실제 차량 냉각수에서는 자동차 제조사와 냉각수 제조사가 정한 화학조성과 호환성을 따라야 합니다.

임의로 억제제를 추가하면 냉각수의 전기전도도나 다른 재료와의 호환성에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

6. 냉각판 자체보다 접합부가 먼저 문제가 될 수도 있다

냉각판은 단순한 알루미늄 판 한 장이 아닙니다.

Stamping, Brazing, FSW 등 다양한 방법으로 복잡한 내부 유로를 만들 수 있습니다.

따라서 배터리 냉각판 부식을 조사할 때는 Base Metal만 보면 부족합니다.

Base Metal → 접합부 → Heat-Affected Zone → Filler/Braze Material → 유로 형상 → Crevice

순서로 확인해야 합니다.

접합공정으로 미세조직이 변하거나 서로 다른 조성의 재료가 인접하면 국부적인 전기화학적 차이가 생길 가능성이 있습니다.

그래서 시험편 하나를 냉각수에 담그는 Coupon Test와 실제 완성 냉각판 Assembly 평가가 서로 다른 결과를 낼 수도 있습니다.

7. 재질 호환성은 어떻게 시험해야 할까?

여기서부터가 실무적으로 중요합니다.

저라면 “이 알루미늄이 냉각수에 견디는가?”를 한 번의 침지시험으로 판단하지 않겠습니다.

1단계 – 냉각수 Characterization

pH, Conductivity, Glycol Concentration, Cl⁻와 주요 이온, 억제제 상태를 확인합니다.

2단계 – 전기화학시험

OCP, Potentiodynamic Polarization, EIS 등을 이용해 Passive Film 안정성과 Pitting Susceptibility를 비교합니다.

실제 2023년 EV 냉각수 연구도 분극시험뿐 아니라 EIS와 Mott-Schottky 분석을 이용해 부동태피막 특성을 평가했습니다.

3단계 – 장기 노출시험

운전온도와 냉각수 열화를 고려해 장기간 노출 후 Mass Change, Pit Depth, 표면상태를 확인합니다.

4단계 – 실제 Assembly 평가

Brazed Joint나 FSW Joint가 포함된 실제 냉각판을 이용해 유동조건에서 Leak 및 Corrosion을 평가합니다.

🧪 재질 호환성 평가는 ‘합금 하나’가 아니라 시스템 시험이다

실제 냉각판처럼 접합부와 복잡한 유로가 존재하는 부품에서는 Al Alloy + Joint + Coolant + Temperature + Flow를 하나의 시스템으로 보는 것이 중요합니다.

8. 사용하던 냉각수를 분석하면 부식 징후를 알 수 있을까?

가능합니다.

정비나 내구시험에서 냉각수 시료를 확보할 수 있다면 새 냉각수와 비교해

pH 변화 / Conductivity 변화 / Al Ion 증가 / 억제제 변화 / 침전물

등을 추적할 수 있습니다.

6063 알루미늄 Cold Plate를 Ethylene Glycol Coolant 환경에서 시험한 연구에서는 시간에 따른 냉각수 pH와 Aluminum Ion Concentration을 모니터링했으며, 주된 손상형태로 Pitting Corrosion을 보고했습니다.

따라서 냉각수는 단순한 소모품이 아니라 냉각판 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지를 보여주는 분석 시료가 될 수 있습니다.

9. 전기차 냉각판에서 가장 위험한 시나리오는 무엇일까?

평균부식률이 조금 높은 것보다 저는 국부적인 관통부식을 먼저 보겠습니다.

얇은 냉각판에서 Pit가 깊이 방향으로 성장하면 결국 유로를 관통할 수 있습니다.

그러면 문제는 단순한 금속손상에서 끝나지 않습니다.

Pit 성장 → 냉각수 누설 → 냉각성능 저하 → 배터리 온도편차 증가 → 주변 부품 영향

으로 문제가 확대될 수 있습니다.

따라서 배터리 냉각판 부식에서는 평균적인 mm/year 값만 보는 것보다 Maximum Pit Depth와 Pit Growth Behavior를 함께 평가하는 것이 중요합니다.

👨‍🔬 전문가의 시각

제가 냉각판 Failure Analysis를 한다면 가장 먼저 손상된 판을 잘라보기보다 사용했던 냉각수를 먼저 보존하겠습니다.

새 냉각수와 사용 냉각수를 비교하고,

pH → Conductivity → Cl⁻ → Al Ion → 억제제 상태

를 확인한 뒤 실제 Pit 위치를 냉각 유로와 접합부 위치에 겹쳐볼 것입니다.

그리고 SEM/EDS로 Pit 주변의 Intermetallic Compound와 부식생성물을 살펴봅니다.

그렇게 해야

냉각수 Chemistry 문제인지, 합금 미세조직 문제인지, 접합부 문제인지, 여러 요인이 겹친 것인지

구분할 수 있습니다.

결국 재질 호환성이란 “알루미늄이 냉각수에 견딘다”라는 단순한 문장이 아닙니다.

특정 알루미늄 합금이 특정 냉각수 조성과 특정 온도·유동조건에서 목표수명 동안 안정적인가를 확인하는 것이 진짜 Compatibility Evaluation입니다.

FAQ

Q1. Ethylene Glycol 자체가 알루미늄을 심하게 부식시키나요?

Glycol이라는 이름 하나만으로 부식성을 판단할 수 없습니다. 물의 비율, Cl⁻ 등 이온, pH, 온도와 억제제 조성을 함께 봐야 합니다. 3003 Al 연구에서도 냉각수의 Chloride와 Ethylene Glycol 조성이 부식거동에 영향을 주는 것으로 조사됐습니다.

Q2. 알루미늄 냉각판에서 가장 주의할 손상은 무엇인가요?

대표적으로 Pitting을 주의해야 합니다. 특히 얇은 냉각판에서는 작은 면적의 깊은 Pit가 누설로 이어질 수 있습니다.

Q3. 냉각수 색이 정상이라면 부식도 없다고 볼 수 있나요?

그렇지 않습니다. 색상만으로 초기 Pitting이나 냉각수 Chemistry 변화를 판단하기 어렵습니다. 필요한 경우 pH, 전도도, 이온 및 금속성분을 분석해야 합니다.

Q4. 가장 내식성이 높은 알루미늄 합금을 선택하면 해결되나요?

내식성은 중요하지만 냉각판에는 열전도성, 강도, 성형성, 접합성, 비용과 실제 냉각수 호환성을 함께 고려해야 합니다.

오늘의 핵심 정리

배터리 냉각판 부식은 알루미늄과 냉각수의 단순한 접촉 문제가 아닙니다.

실제 손상은

냉각수 조성 → pH·Cl⁻·온도 → Passive Film 안정성 → 금속간화합물 주변 국부전지 → Pitting → Pit 성장 → 냉각판 관통

이라는 흐름으로 이해해야 합니다.

따라서 재질을 선정할 때도 Alloy Grade 하나만 비교해서는 부족합니다.

Al Alloy + 미세조직 + 접합부 + 냉각수 Chemistry + 억제제 + 온도 + 유동조건

전체를 하나의 시스템으로 평가해야 합니다.

전기차에서 냉각판은 눈에 잘 띄지 않는 부품이지만, 결국 배터리를 식히는 냉각수가 냉각판의 수명을 결정하는 또 하나의 재료환경이라는 점이 핵심입니다.

이종재료 사이의 전위차가 부식에 어떤 영향을 주는지 비교하려면 기존 글 **「태양광 발전소 구조물의 갈바닉 부식 방지를 위한 이종 금속 접합 가이드」**를 내부링크로 연결할 수 있습니다.

참고자료

한국재료부식학회 – Effects of Corrosion Inhibitor on Corrosion of Al-based Alloys in Ethylene Glycol-Water Coolant Environment — EV 배터리 냉각계 알루미늄 합금의 EG-W 환경 공식과 억제제 효과를 다룬 2023년 연구입니다.

Corrosion Science and Technology – 논문 원문 PDF — 분극시험, EIS 및 알루미늄 합금별 부식거동을 확인할 수 있습니다.

International Journal of Electrochemical Science – 7A09 Aluminum Alloy in Propylene Glycol Coolant — 온도 50~80°C, pH 4~9, Cl⁻ 30~90 mg/L 범위에서 냉각수 환경 영향을 조사한 연구입니다.

Wiley – Effects of Coolant Chemistry on Corrosion of 3003 Aluminum Alloy — Chloride와 EG 농도 등 냉각수 Chemistry가 3003 Al 부식에 미치는 영향을 분석했습니다.