전기차배터리를 만드는 업체 입장에서 가장 핵심이 무엇인지 LG에너지솔루션에서 잘 정리해놨습니다. 우선, 디젤, 가솔린보다 더 느린 전기차의 충전속도는 가장 큰 한계점 중 하나로 지적되어왔어요. 그래서, 고속충전이 무엇보다 중요하죠. 이미 충전속도에서 따라잡을 수 없다면 한 번 충전했을 때 최대한 오래 달릴 수 있어야합니다. 즉, 전기에너지를 품을 수 있는 밀도가 높아야하죠. 이러한 것을 배터리공간을 어떻게 잘 활용하여 최대한 가성비를 뽑아낼지 그리고 무게를 낮춰 장시간 에너지사용에 문제가 없게 할 수 있을지가 LG에너지솔루션이 생각하는 전기차배터리의 핵심 성능입니다.
여기서 잠깐! 배터리공간을 잘 활용해야한다고 말했죠. 전기차배터리를 만든다고 해서 다 같은 모양을 가지고 있는 것은 아닙니다. 전기차배터리업체마다 추구하는 배터리모양이 다르죠. 예를 들면, LG에너지솔루션 : 파우치형, 원통형 / SK온 : 파우치, 각형 / 삼성SDI : 각형, 원통형이에요.
파우치형 배터리 : 비싼 이유가 있다.
위 표를 보면, 배터리형태별로 장단점이 잘 정리되어있는데요. 우선, LG에너지솔루션의 주력배터리규격인 파우치형과 원통형을 좀 더 자세히 볼게요. 우선, 파우치형은 굉장히 얇아요. 얇아서 다양한 모양으로 형태변경이 가능해 내부공간에 꽉꽉 채울 수가 있어요. 왜 우리가 테트리스를 할 때 다양한 모양의 블록이 있어야 빈틈없이 잘 쌓을 수 있잖아요? 빈틈이없다는 말은 즉슨, 에너지를 저장할 수 있는 공간이 많아진다는 뜻이죠. 에너지밀도가 높아져 장거리 운행에 유리하고 다양한 배터리를 만들어낼 수 있습니다. 아래 그림처럼 말이죠.
파우치형 배터리를 주로 쓰는 완성차 업체를 이미지로 정리해놨습니다.
다만, 이러한 얇은 특성 때문에 외부충격에 약하다는 치명적인 단점이 있어요. 플라스틱으로 보호케이스를 만들어 파우치형셀을 보호하지만 한계가 분명히 있죠. 그래서, 파우치형배터리에서 가장 큰 난제는 화재위험성을 줄이는 것입니다.
그리고, 파우치형 배터리는 배터리셀을 마는 것이 아닌 층층히 쌓아가는 방식으로 만듭니다. 예시를 보시죠.
지그재그로 쌓아가는 것을 볼 수 있어요. 뭐 간단해 보이지만, 각형, 원통형 배터리셀을 만드는 것을 보면 이게 복잡한 과정이라는 것을 알 수 있어요.
원통형, 각형 배터리에는 '젤리롤'이라는 이름이 등장하는데요. 말 그대로 젤리처럼 배터리소재들이 말려서 들어가있기 때문에 그렇습니다. 이러한 젤리롤을 보면 스태킹(stacking)방식이 복잡하다는 것을 알 수 있어요. 그래서 파우치형은 생산비용이 더 들어간다고 하는 것이에요.
파우치형 배터리 중간정리
- 셀을 적층형식으로 쌓아가기에 에너지밀도가 높음 -> 장거리주행 가능
- 상대적으로 얇고 유연하기에 다양한 배터리모양과 뛰어난 공간효율성
- 얇기에 플라스틱소재로 보호케이스를 만든다. -> 외부충격에 약함
- 모양이 다양하여 대량생산에 불리
- 공정이 추가(ex : 셀 적층시 가스불순물 제거) -> 비용 증가
원통형배터리 : 전기차 가장 선두주자인 테슬라가 선택한 배터리
그렇다면, 원통형 배터리는 어떨까요? 원통형 배터리를 쓰는 업체 중 가장 대표적인 완성차업체가 바로 '테슬라'입니다. 대표 배터리제조사는 일본의 파나소닉이죠. 그럼, 테슬라는 원통형배터리 왜 쓸까요? 개인적으로 테슬라하면 자동차 소프트웨어가 가장 먼저 생각나지만 그 다음으로는 저비용으로 대량생산을 해냈다는 것이에요. 아무래도, 후발주자완성차업체로 참여했기 때문에 빠르게 시장점유율 높이는게 테슬라의 경쟁력 중 하나였겠죠.
원통형배터리는 우리가 쓰는 리모컨에 들어가는 AA, AAA건전지 생각하면 편합니다. 그것을 자동차 사이즈에 맞게 크기를 키운 것이죠. 이 말은 즉슨 흔하다는거에요. 예전부터 사용해왔기에 이미 시장에 널려있죠. 그래서, 테슬라입장에서는 배터리업체에 의존할 필요가 없어집니다. AA건전지를 크기만 키워서 납품하면 테슬라는 그것을 차량하부에 깔기만 하면되거든요.
다만, 원기둥을 일렬로 나열하면 중간중간 빈틈이 생기겠죠. 그래서, 공간효율성이 떨어집니다. 아래 그림을 보면 원기둥 사이에 빨간색으로 표시된 곳이 원통형배터리가 낭비하는 공간입니다.
이러한 결과로 원통형배터리는 에너지밀도가 낮기 때문에 굉장히 많은 배터리를 차량에 탑재해야해요. 여기서 에너지밀도가 낮다는 것은 '팩'단위에서 낮다는거에요. 셀단위에서는 원기둥이 각형, 파우치형보다 크기 때문에 에너지밀도가 높지만, 이게 쌓이면 쌓일 수록(셀 -> 모듈 -> 팩) 앞서 말했듯 공간효울성이 떨어지면서(: Dead Space) 팩단위로 에너지밀도가 떨어지죠. 원통형배터리에는 대표적으로 1865, 2170이라는 두 모델로 구분이되요. 크기차이인 것이죠. 하지만, 절대적으로 각형, 파우치형보다 크기가 작고 쌓으면 쌓을 수록 에너지밀도가 적기때문에 아예 대량으로 실어야해요. 예를 들면, 차량 한대에 들어가는 원통형배터리1865 같은 경우 약 7,000개, 2170기준으로 4,000개가 들어갑니다. 반면, 각형, 파우치는 300~400개에 불과하죠. (참고로, 1865, 2170은 각 숫자의 2개씩 묶어서 가로, 세로 길이를 뜻함 : 1865(가로 : 18mm, 세로 :65mm), 2170(가로 : 21mm, 세로 : 70mm) *가끔 맨뒤에 0가 더붙는데(ex : 18650, 21700) 원형을 나타내는(O) 뜻입니다
그렇다면, 테슬라는 왜 계속 원통형배터리를 고집하는 것일까요? 우선 가장 중요한 것은 테슬라는 100년 이상된 포드자동차 같이 오랫동안 사업을 해오던 굴지의 완성차기업이 아닌 스타트업입니다. 그래서, 자동차에 들어가는 배터리1대를 위해 차량마다 수천만원을 투자하는 것은 무리였겠죠. 그래서, 이미 있는 원통형배터리를 최대한 채워서 그것에 대한 보완을 소프트웨어로 매꾸는 식으로 테슬라는 경영을 하고 있는 것으로 보여요. 다만, 최근에는 4680배터리가 나와 전기차 한대에 830개 정도의 셀만 들어간다고 하니 테슬라는 원통형배터리의 한계를 계속해서 매꾸어나가는 것으로 보여요.
원통형배터리 중간정리
- AA,AAA건전지가 커진 버전(ex : 1865, 2170)이라 이미 시장에 상용화되어 쉽게 구할 수 있다. -> 가격이 저렴
- 대량생산에 용이(winding방식 : 전극을 원형으로 말아 금속캔에 넣음 vs. 파우치 : Stacking 방식으로 Z모양으로 일일이 차례대로 쌓아야하기에 비용, 시간 증가)
- 차량 하부에 설치하면 중심을 잡아주기에 차량안전성 up
- 금속캔으로 만들어져 화재위험성이 적음
- 전기차 한대에 들어가는 수가 4000(2170기준)~7000(1865)이기 때문에 총합가격은 비싸진다(개별셀을 가격저렴 : 리모컨 건전지).
- 무게가 무거워 가뜩이나 에너지밀도가 높지않은데, 장거리주행에 적합x
각형배터리 : 삼성SDI가 이 글을 좋아합니다.
각형 배터리는 이름 그대로 각지게 생겼어요. 보고가시죠.
저 안에 배터리소재(양극재, 음극재, 전해액, 분리막) 등이 가득하겠죠. 저 배터리를 감싸고 있는 소재가 바로 알루미늄입니다. 알루미늄이 단단하다는 것은 다들 알고 있을거에요. 그래서, 각형 배터리는 안전한축에 속합니다. 그리고 원통형, 각형 배터리에만 있는 배터리소재가 들어간 젤리롤로 배터리를 만들죠. 앞서 말했듯 스태킹방식(파우치형)보다 배터리소재를 돌돌말아서(젤리롤)집어넣기 때문에 생산단가가 좀 더 저렴하죠.
당연히 단점도 있겠죠. 스태킹은 그래도 빠짐없이 배터리안을 소재로 채우기 때문에 밀도가 높다고 설명했어요. 각형배터리는 배터리소재를 말아서 쌓은 것이기 때문에 중간에 빈틈이 많아요. 즉, 데드 스페이스(Dead Space)가 생기게 된다는 것입니다. 이는 곧 주행거리 단축으로 이어지죠. 또, 알루미늄이라는 케이스로 보호하고 있어서 안전은 하지만 무게가 많이 나가겠죠. 아무래도, 금속이니깐요. 전기차의 핵심이 무게인데 여기서 각형배터리는 한계를 가지고 있어요. 무거운데, 빨리 달릴려고 운전자가 밟으면 열심히 각형배터리안에서 분주하겠죠. 단단한 케이스로 고정되어 안에서 열이났을 때 취약하게 됩니다. 그래서, 별도의 냉각장치가 필요하게되요.
각형배터리 중간정리
- 알루미늄소재로 감싸져있어 안전하다 -> 화재위험성 Down
- 젤리롤방식(생산공정 단순)을 사용하여 생산단가가 저렴하다 -> 대량생산용이
- 알루미늄은 무거워 차량무게를 증가시킨다.
- 금속으로 감싸고 있어 배터리소재열을 잘 식혀주지 못한다 -> 별도 냉각장치 필요
- 배터리사이사이 빈공간이 많아 공간효율성이 떨어진다 -> 에너지밀도 Down
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