전기차와 2차 전지 배터리 종류

전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 종류에 대해 알아보겠습니다. 그리고 전기차 배터리에서 가장 중요한 핵심이 무엇인지도 살펴보겠습니다.

목차

리튬 이온 배터리의 3가지 대표적인 유형

원통형

최초로 사용화된 리튬 이온 배터리

 배터리 소재들을 두루마리 화장지처럼 말아 버리는 젤리롤 방식으로 원통형 캔에 담은 형태입니다. 아담한 사이즈에 저렴한 생산 비용으로 대량화하기에 매우 용이한 장점이 있지만, 여러 개를 묶게 되었을 때 사이사이의 틈새가 만들어지게 되어 에너지 밀도가 떨어지는 단점이 있습니다.

각형 

외모만 다를 뿐 내부 제작방식은 젤리롤 방식과 같으며, 접히는 구간마다 조그마한 공간이 생기게 됩니다.

파우치형

젤리롤 방식이 아닌 접은 형태의 배터리로 슬림한 것이 특징이나 상대적으로 제조 단가가 높은 것이 특징입니다.

 

22년 1분기를 기준으로 하였을 때 배터리 모양별 점유율은 각형 63.6%, 파우치형 20.8% 원통형 15.6%입니다. 각형의 경우 튼튼하고 제조 단가가 싼 것이 장점, 파우치 형의 경우에는 가볍고 에너지 밀도가 높으나 내구성이 약한 특징이 있습니다. 여기서 대량생산에는 용이하나 에너지 밀도가 낮아 전기차의 주행거리를 높이는데 한계가 분명했던 원통형 배터리는 제2의 전성기를 맞게 됩니다. 그것은 바로 테슬라에서 원통형 배터리를 채택하였기 때문이죠. 이와 관련된 포스팅은 다음에 좀 더 자세히 진행해 보겠습니다. 

 

전기차 배터리의 제조공정 

양극과 음극을 만드는 전극 공정

활물질과 양극활물질, 도전재, 바인더를 모두 넣어 섞고 슬러리를 만들어 구리/알루미늄 포일에 얇게 코팅합니다. 용매까지 발라 전조 후 압연 공정을 거쳐 납작하게 전극의 두께를 감소하여 배터리 사이즈에 맞게 컷팅하는 공정입니다.

조립공정

전극을 조립하여 셀을 만드는 공정으로 크게 두 가지로 나뉩니다. 양극판과 음극판 사이에 분리막을 넣고 말아 주는 와인딩과 전극판을 잘라 쌓아 주는 스태킹 방식이 존재하고 제조사 별로 다양하게 변주하여 사용 중입니다. 

화성공정

조립된 셀의 전기적인 특성을 안정화하는 공정으로 적절한 온습도 환경에서 활성화 단계를 거칩니다. 배터리 속 전해액이 분산되며 이온의 이동이 최적화되고 품질 TEST를 통화하면 하나의 CELL이 완성되는 것입니다.

모듈공정

완성된 셀들을 묶어 배터리 모듈을 완성하는 공정으로 여러 개의 모듈을 다시 묶어 냉각 장치, 배터리 관리 시스템까지 추가하게 되면 배터리 팩이 완성됩니다. 

 

배터리 산업의 핵심은? 더 나은 수명, 성능을 지닌 셀, 열이나 진동으로부터 보호해 줄 튼튼한 모듈 및 팩을 개발하고 효율적인 제조 공정을 발전시키는 것이 핵심. 

 

전기차 배터리의 종류

셀투팩이란? 

CATL이 설계한 기술로 모듈 단계를 건너뛰고 배터리 셀을 바로 팩으로 배치하는 설계 기술입니다. 모듈 자리에 배터리 셀을 추가적으로 더 많이 배치할 수 있어 에너지 밀도를 올릴 수 있고, 모듈에 필요한 부품, 전선 등의 무게를 줄여 가볍습니다. 또한 가격도 저렴해지는 장점이 있습니다. 하지만 이런 모듈리스 구조는 모듈이 없는 만큼 안정성 및 내구성이 떨어지는 위험이 있습니다. 

 

삼원계 배터리

양극재에 총 3개의 원소가 들어가는 배터리를 말합니다. 리튬은 개별로는 불안정한 특성을 가지고 있어 다른 금속들과 결합 한 리튬금속산화물을 사용하는데, 리튬 이온 배터리의 양극재는 주로 리튬 코발트 산화물을 기본으로 사용합니다. 여기에 코발트의 일부 대신 에너지 밀도에 도움이 되는 니켈, 안전성을 위한 망간, 출력에 도움이 되는 알루미늄을 넣으면 삼원계 배터리가 됩니다. 

NCA

니켈과 알루미늄이 포함되어 있어 에너지 밀도와 출력이 높은 소형 전지입니다.

NCM

니켈, 코발트, 망간이 균등하게 배치된 배터리로 전기차 분야에서 많이 사용됩니다. 

 

그러나 리튬과 함께 공통적으로 포함되는 코발트의 경우에 전 세계 생산량의 67%가 콩고 민주공화국에 집중되어 있어 공급망이 불안정한 단점이 있습니다. 따라서 코발트를 덜 쓰는 만큼 에너지 밀도를 높인 하이 니켈 삼원계 배터리나 금속 원소를 더 추가한 사원계 배터리까지 등장하고 있습니다.  

전기차 시장에서는 밀도, 용량, 수명, 가격 경쟁력 전부 충족하는 삼원계 배터리가 가장 선호됩니다.

 

LFP (리튬인산철)

이외에도 LFP (리튬인산철) 배터리도 주목받고 있습니다. 코발트 대신 인산철을 넣어 리튬인산철로 만들어지는데, 이 배터리의 장점은 자연적으로 방전되거나 에너지를 손실하는 정도가 매우 낮아 효율이 좋습니다. 또한 안정성 측면에서 다른 배터리들은 산소 원자가 쉽게 떨어져 나오기 때문에 연소하여 화재를 일으키게 되는데, LFP는 열을 분출해도 산소 원자를 잘 배출하지 않아 화재에 상대적으로 안전하다는 평이 있습니다. 그러나 에너지 밀도가 낮다는 약점도 존재합니다. 하지만 이 LFP 배터리로 전기차 시장에 도전한 자가 바로 일론 머스크입니다. 가격 경쟁력, 안정성 등을 고려했을 때 LFP 배터리는 충분히 매력적이기 때문입니다.

특히 가격 측면에서 전기차 가격의 40%를 전기차 배터리가 차지하고 있는 만큼 가격 경쟁력은 매우 중요한 이슈입니다. 테슬라는 여전히 장거리 모델에는 삼원계 배터리를 탑재하나, 고급모델, 저주행 모델에는 LFP를 탑재 예정이라고 합니다.  그리고 현재 가장 주목받는 배터리는 테슬라가 준비 중인 4680 배터리로 몸집을 키운 원통형 배터리입니다.  이번 포스팅에서는 간단하게 전기차 시장에서 선호되는 배터리의 장단점을 살펴보았습니다. 다음번 포스팅에서는 앞으로 배터리가 진화할 방향에 대해 간단히 보겠습니다. 

 

2차 전지에 대한 기본 개념은 아래 글을 참고해 주세요