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각형 배터리
각형 배터리는 배터리 소재를 알루미늄의 사각형 형태로 패키징한 배터리이다. 각형은 사각형이라는 모양적 특성으로 소재를 적층해 공간을 활용하기 때문에 상대적으로 버리는 공간이 적다. 알루미늄 케이스이기 때문에 내구성이 좋아 자동차 사고에도 잘 견딜 수 있는 반면, 무게가 많이 나가고 대형화가 어려우며 열이 잘 방출되지 않는다. 각형 배터리는 파우치형 배터리보다 기술적으로는 낮은 단계이지만 배터리 공급처가 다양하며 셀투팩(Cell to Pack) 등 기술로 효율을 극대화할 수 있다. 삼성SDI, 도시바 등이 생산하며 BMW, 아우디, 폭스바겐, 포르쉐, 페라리 등의 전기차에 활용된다.
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개요
각형은 사각형의 금속틀 안에 배터리셀을 구성한 형태다. 안전성은 높지만 무겁기 때문에 대용량을 탑재할 수 없고, 그만큼 주행거리가 줄어든다는 것이 단점이다. 중국 CATL, BYD와 삼성SDI가 주로 생산한다. CATL은 각형 배터리의 단점을 극복하기 위해 자동차 섀시에 배터리셀을 결합하는 기술을 연구하고 있다. 현대차, GM 등 글로벌 완성차 업체들이 최근 신형 전기차에 파우치형을 적극 채택하면서 파우치형이 대세로 떠올랐지만 테슬라가 원통형, 2021년 3월 폭스바겐이 각형을 주력으로 삼겠다고 선언하면서 구도가 다시 흔들리고 있다.
역사
1983년 휴대폰이 처음 등장했을 때만 해도 벽돌폰이라고 불리울 만큼 커다란 디자인이었지만, 기술이 점차 발전하면서 한손에 쏙 들어갈 만큼 크기가 크기가 작아졌다. 휴대폰이 작아질 수 있었던 여러가지 이유 중 하나는 바로 배터리 기술의 발전 덕분이다. 90년대 중반, 배터리 시장을 이끌었던 니켈수소 배터리보다 고용량, 고에너지 밀도를 지닌 리튬이온 배터리가 등장했다. 기존의 배터리보다 더 얇고 가벼운 리튬이온 배터리로 인해 휴대폰도 함께 얇아지고 가벼워졌다. 최초의 리튬이온 배터리는 원형 배터리였으나 점차 소형화 되는 휴대폰 디자인엔 어울리지 않았다. 결국 더 얇게 만들 수 있는 각형 배터리가 등장했다. 게다가 배터리를 게다가 당시에는 배터리를 교환할 수 있는 휴대폰이 인기였는데 이를 효율적으로 구현할 수 있는 배터리가 바로 각형 배터리였다. 그래서 휴대폰 배터리 = 각형 배터리라고 인식되기 시작했다. 각형 배터리의 인기는 휴대폰에만 머무르지 않았다. 배터리 기술이 더욱 발전하면서 슬림 노트북에도 채용이 되며 인기를 누렸다. 하지만 스마트폰이 등장하면서 디자인 자유도가 높은 폴리머 배터리가 대세로 바뀌게 됨에 따라 각형 배터리가 주춤하고 있는 상황이다.
전기자동차용 배터리는 안정성을 최우선으로 한다. 알루미늄 캔으로 이루어진 각형 배터리는 구조적 안정성을 가지고 있으며 추가 설계에도 용이하여 전기자동차용 배터리로 딱 이다. 안전성뿐만 아니라 고용량, 고출력 특성에서도 우수하다.[1]
장단점
각형 배터리는 안전성 측면에서 상대적으로 강점이 있지만 한 번 배터리를 충전했을 때 사용할 수 있는 에너지양을 의미하는 에너지 밀도는 다소 떨어진다. 에너지 밀도가 떨어지면 그만큼 주행거리가 줄어들 수밖에 없다. 반면 파우치형 배터리는 안전성은 다소 떨어지지만 에너지 밀도가 높다. 그만큼 한 번 충전으로 각형 배터리보다 더 먼 거리를 갈 수 있다는 얘기다. 이 같은 차이는 두 배터리 구조가 다르기 때문에 발생한다.
알루미늄 캔으로 패키징된 각형 배터리는 크기는 훨씬 크지만 구형 휴대폰에 사용되던 착탈식 배터리와 외관이 유사하다. 알루미늄 캔 안에 배터리셀이 위치하며 양극과 음극이 캔 뚜껑에 붙어 있는 형태로 돼 있다. 각형 배터리는 알루미늄 캔 덕분에 파우치형 배터리에 비해 안전하다. 알루미늄 캔으로 둘러싸여 있기 때문에 외부 충격에 강해 내구성도 좋다.또 휴대폰 배터리처럼 사각형 모양이어서 배터리팩을 전기자동차 등에 탑재하는 데 용이하다. 조립하기 위해 여러 부자재를 붙여야 하는 파우치형 배터리보다 편리한 셈이다.
각형 배터리 내부에는 양극과 음극, 분리막 등 배터리 소재를 쌓은 뒤 돌돌 말아 만든 '젤리롤'이 들어 있다. 젤리롤은 배터리의 중간 단계로, 젤리롤이 들어 있는 캔에 전해액을 주입한 뒤 숙성시키면 배터리가 된다. 젤리롤을 사용하는 각형 배터리는 파우치형 배터리에 비해 공정 단계 수가 적어 대량 생산에 용이하다.
단점은 에너지 밀도가 낮아 상대적으로 한 번 충전했을 때 주행거리가 짧다는 것이다. 각형 배터리 케이스는 사각이지만 젤리롤은 원형이어서 내부에 공간이 많이 남는다는 점도 있다. 또 각형 배터리는 알루미늄 케이스로 인해 무게가 많이 나가고 열 방출이 어려워 냉각 장치를 별도로 달아야 한다.[2]
각형배터리 기술
스태킹 공정
스태킹 공정은 삼성SDI가 배터리 소재를 일정 길이로 자른 후(notch) 이를 쌓는 방법(stacking)으로 배터리를 만드는 기술이다. 이전까지 삼성SDI는 양극재, 분리막, 음극재를 둘둘 말아 각형이나 젤리롤(Jelly roll)로 만드는 와인딩(winding) 방식을 사용했다. 스태킹과 같은 적층 방식은 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 계단처럼 층층이 쌓는 것을 말한다.
스태킹은 젤리롤과 비교해 배터리 내부 공간 활용도가 높다. 충방전을 반복하면 소재가 변형되는 스웰링(Swelling) 현상을 억제할 수 있다. LG화학, SK이노베이션이 만드는 파우치형 배터리가 그렇다. 에너지 밀도가 높아져 전기차(EV) 1회 충전시 주행거리가 길어진다.
각형 배터리는 파우치형 배터리보다 에너지 밀도가 상대적으로 낮다. 파우치형이 100이라면 각형은 85~90 정도다. 대신 내구성이 우수하고 대량 생산에 유리하다. 상대적 약점으로 꼽히는 에너지 밀도가 개선되면서 파우치형 배터리와의 경쟁이 한층 치열해질 전망이다.
삼성SDI 외에 CATL, S볼트, 노스볼트 등이 신형 배터리에 스태킹 공정 적용을 추진하고 있다. 이들 업체는 사각형 금속 캔(CAN)에 배터리 소재를 담아 만드는 각형 배터리가 주력이다. 그동안 와인딩으로 배터리를 만들었다.
신공정 적용을 위해선 노칭(Notching)과 스태킹 장비가 필요하다. 노칭은 배터리 소재의 양극과 음극 탭(Tab)을 만들기 위한 과정이다. 와인딩에는 쓰이지 않던 공정과 장비가 필요해 배터리 생산에 더 시간이 걸린다. 추가 시설투자(CAPEX)와 연구·개발(R&D)도 필요하다. 특히 롤투롤(R2R:Roll to Roll) 기술 확보가 필수적이다.
일정상 가장 앞선 업체는 삼성SDI다. 올해 헝가리 괴드 공장에 스택 장비를 도입한다. 이 방식으로 5세대(젠5) 배터리를 생산할 계획이다. CATL도 올해 같은 형태의 배터리를 개발을 완료하고 양산을 시작할 것으로 알려졌다.
중국 완성차 업체인 장성자동차에서 독립한 S볼트는 내년 6월부터 신공법을 적용한 각형 배터리를 내놓는다. 에너지 밀도가 최대 590와트시리터(Wh/L)다. 리튬인산철(LFP) 기반이다. 삼성SDI와 CATL은 코발트가 적용된 삼원계다. 에너지 밀도가 각각 660Wh/L, 670Wh/L이다. 리튬인산철보다 에너지 밀도가 더 높지만 가격은 10~15% 정도 더 비싸다.
폭스바겐 전기차 배터리 합작사인 스웨덴 노스볼트도 스태킹 공정을 적용할 계획이다. 그러나 스태킹 장비의 성능이 제대로 나오지 않는 것으로 전해졌다. 이 때문에 중국 배터리 장비사인 리드차이나와 맺은 계약을 파기하고 국내 업체를 물색하고 있다.[3] [4]
가스배출장치
각형 배터리에는 캡에셈블리(Cap Assembly) 기능이 있어 안전장치를 더 설치할 수 있다. 대표적인 것은 가스배출장치(VENT)이다. 내부에 가스가 찼을 때 터지는 기능을 막기 위해 벤트(Vent)를 장착하며 파우치형은 이런 장치를 넣을 수 없다. 가스배출장치는 배터리 위에 있는 작은 구멍으로 배터리가 충격을 받았을 때 발생하는 가스를 외부로 배출한다. 국내 신흥에스이씨가 배터리에서 내부 가스를 외부로 배출하기 위한 뚜껑 역할을 하는 캡어셈블리(Cap Assembly)를 생산하고 있다.[5] [6] [7]
점유율
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SNE리서치가 2020년 연간 탑재된 글로벌 전기차의 배터리 유형별 점유율에서 파우치형 배터리가 2019년 대비 큰 폭으로 상승한 반면, 각형과 원통형 배터리는 하락한 것으로 집계됐다고 밝혔다. '탑재량(사용량)'은 해당 기간 전세계에서 등록된 전기차에 장착된 배터리의 에너지 양을 기준으로 한다. 각형 배터리는 같은 기간 점유율이 7.6%p 하락했다. 조사기관은 각형 공급량의 주축을 이루는 CATL과 BYD가 코로나 사태에 따른 중국 시장 위축으로 다소 주춤한 것이 적지 않은 영향을 미쳤다고 설명했다. 다만, 양사 모두 2020년 하반기 들어 회복세를 보이고 삼성SDI가 견조한 실적을 나타내면서 전체 탑재 규모는 증가했다고 조사기관은 덧붙였다. 원통형 배터리는 전년 대비 3.6% 증가한 33.2GWh에 그쳐 점유율이 4.1%p 내려갔으며, 그에 따라 파우치형에 밀리는 양상이다. 원통형 배터리를 사용하는 테슬라의 전체 판매 물량이 증가했음에도 불구하고 중국 시장 침체로 JAC와 Xiaopeng Motor 등 현지 완성차 업체들의 공급 물량이 축소된 것이 전체 증가분을 상쇄시켰다는 분석이다.
2021년 연간 전기차용 배터리 유형별 점유율은 유럽 시장이 성장세를 유지하고 중국과 미국 시장이 회복세를 이어갈 것으로 예상됨에 따라 세 유형 모두 탑재 규모 자체는 견조하게 늘어날 것으로 보인다. 조사기관은 점유율 규모가 각형, 파우치형, 원통형 순을 그대로 유지할 것이나, 2020년보다는 변동폭이 다소 줄어들 것으로 관측된다고 밝혔다.[8]
3가지 유형 배터리 비교
각주
- ↑ 삼성SDI, 〈스디의 50가지 비밀 – 18편. 배터리의 종류-각형배터리〉, 《네이버블로그》, 2020-06-10
- ↑ 이종화 기자, 〈각형 파우치형 원통형…배터리 모양 전쟁 불붙었다〉, 《매일경제》, 2021-03-26
- ↑ 이수환 기자, 〈삼성이 쓴다는 배터리 신공법, 후발 업체들도 속속 도입〉, 《디일렉》, 2020-05-21
- ↑ 박진우 기자, 〈(단독) 삼성SDI, 각형 배터리 브랜드화…폭스바겐 중심 유럽 본격 공략〉, 《조선비즈》, 2021-04-08
- ↑ 럭킴, 〈배터리 제조 프로세스 1. 배터리 타입(파우치형, 각형, 원통형)〉, 《티스토리》, 2020-06-25
- ↑ 신현석 기자, 〈투자분석 신흥에스이씨, “2차전지 부품...삼성SDI 내 점유율 1위”〉, 《디지털데일리》, 2017-09-12
- ↑ 임한솔 기자, 〈삼성SDI 각형배터리 화재 방지기능 강화, 신제품도 하반기 양산〉, 《비즈니스포스트》, 2021-03-26
- ↑ 이동재 기자, 〈작년 전기차 배터리, 파우치형 점유율 급등...LG에너지, SK이노 탑재량 증가가 원인〉, 《헬로티》, 2021-03-15
참고자료
- 〈전기차 배터리 종류〉, 《시사상식사전》
- 〈전기차 배터리 표준〉, 《한경 경제용어사전》
- 이종화 기자, 〈각형 파우치형 원통형…배터리 모양 전쟁 불붙었다〉, 《매일경제》, 2021-03-26
- 박진우 기자, 〈(단독) 삼성SDI, 각형 배터리 브랜드화…폭스바겐 중심 유럽 본격 공략〉, 《조선비즈》, 2021-04-08
- 이수환 기자, 〈삼성이 쓴다는 배터리 신공법, 후발 업체들도 속속 도입〉, 《디일렉》, 2020-05-21
- 이동재 기자, 〈작년 전기차 배터리, 파우치형 점유율 급등...LG에너지, SK이노 탑재량 증가가 원인〉, 《헬로티》, 2021-03-15
같이 보기
