전기자동차 배터리 셀(Battery Cell) 종류

Published on April 19, 2019 / Robin Glauser

 

 

배터리 셀(Battery Cell)

 전기자동차 배터리 팩(Pack)은 여러 개의 모듈(Module)로 구성되어 있으며, 이 모듈은 여러 개의 셀(Cell)로 구성되어 있다. 배터리의 가장 근원적인 단위라 할 수 있는 셀의 경우 단위 부피당 높은 용량과 더불어 긴 수명, 높은 신뢰성과 안정성을 필요로 하는데 여러 제조사에서 이 같은 조건을 만족시키기 위해 개발에 열을 올리고 있다.

 일반적으로 자동차에 탑재되는 셀의 구조는 다음과 같다.

 

Battery Cell 구조

 

 

배터리 셀 종류

 배터리에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어지면서 셀의 형태 또한 변화해가고 있는데, 대표적으로 분류할 수 있는 원통형, 각형, 파우치형 각각의 특성들을 확인해본다.

 

원통형

 대표적으로 미국 테슬라(Tesla)에 적용되는 원통형 배터리 셀은, 전기차 개발 초기 각형이나 파우치형을 사용하기 위해서는 배터리 제조사에 주문 제작해야 했던 부담을 덜기 위해 전 세계적으로 표준화된 사이즈의 배터리가 채택되면서 시작되었다. 당시 사용되던 원통형 배터리는 노트북이나 캠코더 같은 제품에 사용되던 지름 Ø18, 높이 65mm의 1865 배터리로, 여러 제조사에 의해 양산, 판매되고 있었기에 테슬라 입장에서는 전용 제품을 개발하지 않아도 되고 수급도 용이했으며 쉽게 공급사를 바꿀 수도 있다는 이점이 있었다.

 하지만 원통형 배터리의 경우 셀 단위에서는 에너지 밀도가 높지만 모듈 단위로 구성할 경우 여러 개의 셀들 간의 빈 공간이 발생하기 때문에 각형이나 파우치형에 비해 상대적으로 팩 단위에서의 에너지 밀도가 떨어진다. 또한 사이즈가 작기 때문에 파우치형이나 각형이 300-400개의 셀로 배터리팩을 구성한다면 1865 원통형 배터리의 경우 약 7000개의 셀이 있어야 하기 때문에 제조, 관리 등 여러 영역에서 까다롭고 복잡한 셀 관리 기술을 필요로 한다.

 그럼에도 사용되는 이유는 저렴한 가격과 전극을 원형으로 말아서 금속 캔에 집어넣는 와인딩(Winding) 방식으로 제작되기 때문에 각형이나 파우치형에 비해 대량 생산이 용이하다는 장점도 있겠지만, 안정적인 측면에서 금속 캔을 케이스로 사용하는 원통형 배터리의 경우 내구성이 높고 화재 전파 방지에도 유리하다.

각형

 주로 BMW나 아우디(AUDI), 폭스바겐(Volkswagen), 포르쉐(PORSCHE) 등 독일 자동차 회사와 중국 자동차 회사에서 주로 사용되는 각형 배터리 셀은 단단한 금속 캔으로 구성된 케이스로 외부 충격에 강하며 안전하다는 장점을 가진다.

 하지만 양극재와 음극재, 분리막 등을 원통형 배터리팩과 비슷한 형태로 원형으로 만들어 사각 케이스에 넣는 방식으로 모서리부에 빈 공간이 발생하므로 셀 단위에서 에너지 밀도가 낮다. 또한 알루미늄 캔을 사용해 무겁고 셀 단위에서의 열 방출이 어렵기 때문에 배터리 팩 내부에 고가의 냉각방식을 적용하는 등 제조 공정 또한 원통형이나 파우치형에 비해 상대적으로 복잡하다.

파우치형

 파우치형은 대한민국의 현대, 기아자동차와 미국 GM(General Motors), 포드(Ford) 등에서 주로 사용하는 형태의 배터리 셀로 주머니와 비슷한 형태를 가지고 있다. 와인딩 방식으로 제작되는 원통형과는 다르게 전극을 일일이 잘라서 붙이고 쌓는 스태킹(Stacking) 방식을 사용해 제작되므로, 공간 효율이 좋고 높은 에너지 밀도를 가진다. 또한 케이스가 단단하지 않기 때문에 자동차 회사들의 요구에 따라 형태 변화가 가능하고 무게 또한 원통형이나 각형에 비해 가볍다.

 하지만 고객 맞춤 생산을 통해 제작되므로 다른 형태보다 높은 가격을 가지고 있고 빈 공간이 없기 때문에 발열에 대한 열관리가 어렵다는 단점이 있다. 또한 케이스가 원통형이나 각형에 비해 상대적으로 단단하지 않기 때문에 안정성이 다른 형태의 셀들에 비해 떨어지며 이를 극복하기 위해 모듈 단위나 팩 단위에서 외부 충격으로부터 보호할 수 있는 기술이 필요하다.

 

 

글로벌 주요 전기자동차 배터리 셀 제조사

• CATL(중국) : 각형, 원통형, 파우치형
• LG에너지솔루션(대한민국) : 파우치형, 원통형
• Panasonic(일본) : 원통형
• BYD(중국) : 각형
• SK온(대한민국) : 파우치형
• 삼성 SDI(대한민국) : 각형, 원통형

 

 

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