파우치형 배터리

파우치형 배터리

파우치형 배터리는 배터리 소재를 필름으로 패키징한 형태의 배터리이다. 소재를 쌓은 후 패키징해 각형 배터리보다 에너지 밀도가 높으며, 전기차 업체가 요구하는 다양한 모양으로 제작할 수 있다. 그러나 고객 맞춤 생산으로 인해 각형 배터리보다 원가가 높다. 파우치형 배터리는 ㈜엘지에너지솔루션, SK이노베이션 등이 제조하고 있으며 현대기아차, GM, 포드, 르노, 볼보, 닛산 등의 전기차에 탑재된다.

파우치형은 3가지 유형 배터리 중 가장 진보된 형태의 배터리로 꼽힌다. 주머니 모양으로 수십 개의 배터리셀을 쌓아 올린 형태다. 공간을 효율적으로 활용할 수 있고 대용량을 탑재할 수 있다. 대신 상대적으로 안전성이 떨어진다는 단점이 있다. 현대차, GM 등 글로벌 완성차 업체들이 최근 신형 전기차에 파우치형을 적극 채택하면서 파우치형이 대세로 떠올랐지만 테슬라가 원통형 배터리, 2021년 3월 폭스바겐이 각형 배터리를 주력으로 삼겠다고 선언하면서 구도가 다시 흔들리고 있다.

"꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리(全固體 battery)가 상용화되면 업계 판도가 다시 한 번 뒤집힐 것이며 그전까지 각형 배터리, 원통형 배터리, 파우치형 배터리를 둘러싼 배터리 표준 논쟁이 계속될 것으로 예상된다.

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개요

파우치형 배터리는 파우치 필름에 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등으로 구성된 배터리셀이 적용된 제품을 말한다. 파우치형은 얇은 알루미늄 호일에 배터리 구성물들이 싸여 있는 형태이다. 금속으로 외관이 둘러싸인 각형, 원통형과 달리 연성이 있는 파우치로 만들어져 얇고 넓은 배터리를 만들 수 있다. 때문에 상대적으로 무게가 가볍고 가공이 쉽다. 다양한 모양 구현이 가능해 전 세계 자동차 OEM들의 다양한 요구에 맞출 수 있다. 다만 각형과 원통형에 비해 생산 비용이 상대적으로 높다는 점은 단점이다.

2020년 전 세계 전기차(순수전기차, 플러그인하이브리드차) 판매량 20위에 포함된 모델 가운데 14종이 파우치형 배터리를 썼다. 톱10으로 압축해 살펴봐도 2위를 기록한 테슬라 모델3를 뺀 나머지 전기차가 모두 파우치형 배터리다. 파우치형 배터리는 배터리 팩 설계 유연성이 높아 기존 내연기관차 플랫폼을 사용한 전기차에 유리하다. 2025년 글로벌 배터리 시장에서 파우치형 제품이 45%의 점유율을 차지할 것이라는 전망이 나왔다. EV볼륨스에 따르면 2025년 전기차(EV)용 배터리 시장은 1000기가와트시(GWh)를 기록할 것으로 보인다. 이 가운데 파우치형 배터리는 450GWh를 차지할 것으로 예상됐다. 시장 절반 가까이를 차지하는 셈이다. 테슬라 전기차에 쓰이는 원통형 배터리와 함께 시장을 양분할 가능성이 크다.

특징

파우치형 배터리의 장점은 에너지 밀도가 높아 주행거리가 길다는 것이다. 파우치형 배터리는 젤리롤을 사용하지 않는다. 양극, 음극, 분리막 등 배터리 소재를 층층이 쌓아 내부를 채운다. 이후 양·음극 전극을 파우치에 얹어 접착시키고 파우치 안에 전해액을 주입하는 식으로 만든다. 파우치형 배터리는 소재를 쌓아 올리는 형태로 공간을 빈틈없이 꽉 채울 수 있다.

배터리 모양을 자유롭게 만들 수 있는 점도 파우치형 배터리가 가진 경쟁력이다. 파우치형 배터리는 각형 배터리와 달리 외관이 단단하지 않다. 쌓아 올린 소재를 필름 소재의 주머니(파우치)가 감싼 형태여서 겉면이 단단하지 않다. 파우치형 배터리는 다양한 크기로 만들 수 있고, 접기도 쉬워 L형 등으로도 만들 수 있다. 전 세계 완성차 업체의 다양한 요구에 맞는 배터리를 만들기에 용이하다. 대체로 얇고 넓어 상대적으로 무게도 가볍다.

파우치형 배터리의 단점은 이런 내부 구조로 인해 대량 생산 때 각형 배터리에 비해 불리하다는 것이다. 우선 소재를 쌓아 올리는 공정이 둘둘 마는 것에 비해 돈이 많이 든다. 전해액을 주입한 뒤 마감하는 과정에서 소량의 가스가 나와 가스 제거 공정이 추가로 필요하다.

공법

스택 공정

SK이노베이션 지그재그식 스태킹 장비

Bi-cell 라미네이션

SK이노베이션과 LG화학은 모두 파우치 배터리를 신 성장동력으로 세팅하고 달리고 있다. 둘다 모두 Stack 방식을 골랐는데 LG화학은 Lamination & Stack 이라는 공정을 쓰고, SK이노베이션은 ZigZag Stacking 이라는 공정을 쓴다. LG화학은 이걸로 특허를 낸 상태이다.

​Stack은 말그대로 쌓는거다. 일종의 카드형태의 양극판, 음극판, 분리막을 차례차례 쌓아서 만드는것이 Stack 공정이다. 일단 Stack을 하는 이유는 크게 하나다. 에너지 밀도를 높히기 위해서이다. 정해진 공간에 휴지심을 눌러서 넣는거 보단, 당연히 휴지를 한장 한장 깔아서 집어 넣는것이 더 많이 들어가기 때문이다.

SK이노베이션 'Z-스태킹(Stacking)' 공법

전극을 낱장으로 재단 후 분리막과 번갈아 쌓는 공법이다. 즉 잘라놓은 극판(양극, 음극 따로)을 분리막 사이에 넣어서 지그재그로 만드는 방식이다.

LG화학 Lamination & Stack

먼저 Bi-Cell을 만든다. Bi-Cell은 양극+분리막+음극+분리막을 차례대로 쌓아서 만드는 공정이다. 이렇게 만든 Bi-Cell을 Lamination Tape 위에 놓는다.

​라미네이션이란 어떤 물질에다가 얇은 필름을 열과 압력을 이용해서 바르는 작업이다. 그다음 차곡차곡 접는 방법이다. 분리막 위에 양·음극을 쌓고 정렬하는 라미네이션은 해당 배터리 소재를 담은 셀 매거진(Cell Magazine)을 계단처럼 층층히 쌓는 스태킹 공정을 쓴다. 이를 '라미네이션 앤 스택(Lamination&Stack)'이라고 부른다.

SK와 LG의 가장 큰 차이는 접착을 해서 쌓느냐, 그냥 지그재그로 쭉 쌓느냐 이고 이는 아마 분리막기술의 유무로 이렇게 결정된 것인 아닌가 싶다. 각 장비를 납품하는 회사를 보면 LG Stacking 장비는 생산기술연구원(LG자회사)이며 SK Stacking 장비는 엠플러스, 우원기술이 있다. LG Stacking 장비는 특허가 걸려있어서 다른 후발주자들은 적용이 불가능하다.

점유율

글로벌 전기차 배터리 유형별 탑재량. (출처 - 2021년 3월 Global EV and Battery Shipment Tracker, SNE리서치)

 

2020년 전 세계 전기차(EV, PHEV)에 탑재된 배터리 중 파우치형의 비중이 전년 대비 큰 폭으로 늘어난 것으로 집계됐다. 이에 비해 각형과 원통형의 점유율은 하락한 것으로 나타났다.

2021년 3월 15일, SNE리서치에 따르면 2020년 전 세계 배터리 사용량은 전년보다 22.0% 증가한 144.0GWh를 기록한 가운데, 파우치형은 탑재 규모가 18.9GWh에서 40.0GWh로 급증하면서 점유율이 16.0%에서 27.8%로 올랐다. 주요 공급사인 LG에너지솔루션과 SK이노베이션을 중심으로 유럽과 북미 지역에서 탑재량이 급증한 데에 따른 것이다.

반면 각형 탑재량은 70.8GWh로 점유율이 56.8%에서 7.8% 하락한 49.2%를 기록했다. 공급량의 주축을 이루는 CATL과 BYD가 코로나19에 따른 중국 시장 위축으로 다소 주춤한 것이 영향을 미쳤다는 분석이다. 다만, 양사 모두 지난해 하반기 들어 회복세를 보이고 삼성SDI가 견조한 실적을 나타내면서 전체 탑재 규모는 5.5% 증가했다. 같은 기간 원통형은 3.6% 증가한 33.2GWh로 점유율이 전년 27.1%에서 23.0%로 줄어 파우치형에 2위 자리를 내주게 됐다. 테슬라 판매 물량이 증가했음에도 불구하고 중국 시장 침체로 JAC와 샤오펑모터스 등 현지 완성차 업체들의 공급 물량이 축소된 것이 전체 증가분을 상쇄했다.

SNE리서치는 2021년 유럽 시장이 성장세를 유지하고 중국과 미국 시장이 회복세를 이어갈 것으로 예상됨에 따라 세 유형 모두 탑재 규모 자체는 늘어날 것으로 내다봤다. 또 점유율은 각형, 파우치형, 원통형 순을 그대로 유지하지만 지난해보다는 변동폭이 다소 줄어들 것으로 전망했다.

2020년 전기차 톱20

 

3가지 유형 배터리 비교

각형, 파우치형, 원통형 배터리 비교(출처:매일경제)

 

참고자료

• 〈전기차 배터리 표준〉, 《한경 경제용어사전》
• 〈전기차 배터리 종류〉, 《시사상식사전》
• 이종화 기자, 〈각형 파우치형 원통형…배터리 모양 전쟁 불붙었다〉, 《매일경제》, 2021-03-26
• 이수환 기자, 〈2025년 전기차 배터리 절반은 파우치형〉, 《디일렉》, 2021-03-09
• 이수환 기자, 〈나인테크, 올해 배터리 장비 매출비중 60% 목표〉, 《디일렉》, 2021-03-29

같이 보기

• 원통형 배터리
• 각형 배터리
• 배터리

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