원통형 배터리

삼성SDI 원통형 배터리

원통형은 배터리 소재를 원통으로 패키징하는 형태로 가장 전통적인 방식의 배터리이다. 전기차에는 주로 지름 18mm, 길이 65mm의 18650 규격이 사용된다. 원통형 배터리는 각형 배터리나 파우치형 배터리보다 가격이 저렴하다는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 낮은 편이고 수명이 짧다는 단점이 있다. 원통형 배터리는 이 중 가장 오래된 기술이다. 흔히 볼 수 있는 AA건전지 형태로 과거 노트북이나 휴대폰 등에 주로 사용됐다. 전자기기의 슬림화와 함께 2010년 이후 성장세가 꺾였지만 미국 전기차 업체 테슬라가 원통형을 채택하면서 상황이 바뀌었다. 테슬라는 일본 파나소닉, LG에너지솔루션(중국형 모델3·모델Y)으로부터 원통형 배터리를 공급받고 있다. 테슬라는 2020년 9월 '배터리데이'에서 신형 '4680 배터리'를 소개하며 미래 표준으로 원통형 배터리를 채택하겠다고 밝혔다. 원통형 배터리 톱3 업체는 파나소닉, 삼성SDI, LG화학이다.

원통형 배터리는 IT 시장 중심으로 2011년까지 전성기를 누렸다. 이후 각형, 파우치형 배터리가 대중화되며 성장세가 한풀 꺾였다. 2014년부터 전동공구, 정원공구, 무선청소기와 같은 비(非)IT 중심으로 수요처가 달라졌으나 시장이 예상보다 빠르게 포화되면서 성장 동력 확보가 쉽지 않았다. 전기차, ESS와 함께 e바이크, 전동스쿠터와 같은 경전기이동수단(LEV)으로 적용 분야가 확대되고 있다.

글로벌 원통형 배터리 시장은 2017년 70기가와트시(GWh)에서 올해 125GWh, 2020년에는 150GWh로 연평균성장률이 33%에 달할 전망이다. 이는 2011년부터 2016년까지 기록한 연평균성장률 19.1%를 크게 상회한 것이다.

개요

원통형 배터리는 말그대로 원통 모양의 배터리를 말한다. 2차전지의 다른 2종류인 폴리머 파우치 각형 배터리와 구분되는 원통형의 가장 큰 특징은 규격이 표준화되어 있다는 것이다. 현재 전세계에서 사용되는 원통형 배터리의 대부분은 18650과 21700 두 종류이다. 폴리머 각형 배터리는 노트북 파우치 자동차구세대 EV) 등 최종 제품 제조사의 요구에 맞는 다양한 규격으로 제작된다

특히 폴리머 배터리는 플라스틱 성분의 파우치 케이스로 이뤄져 있기에 형태를 비교적 자유롭게 변형 가능하다. 고객이 40 x 50 x 60(가로 x 세로 x 높이)의 공간에 맞는 배터리를 만들어오라는 요구를 해오면 배터리 제조사가 여기에 맞는 사이즈의 배터리를 개발해 판매할 수 있다. 하지만 규격이 국제적으로 표준화된 원통형 배터리라면 이런 요구가 불가능하다. 어떤 고객이든 18650 혹은 21700을 구매해야만 한다. 여기서 18은 원형 단면의 지름, 65는 높이를 뜻한다. 마지막 5번째 자리로 0이 붙는 이유에 대해선 명확한 유래가 없으나 원통형이라는 형태를 글자로 전달하기 위해 0을 붙였다는 이야기가 있다.

원통형 배터리는 현재 테슬라 자동차에 들어가는 배터리로 유명하지만 2000년대까지만 하더라도 노트북과 같은 IT제품에 주로 사용되어 왔다. 18650이란 크기 역시 원래 캠코더에 사용되던 규격이 일본 가전업체에 의해 매거진의 이전글 테슬라의 비밀병기 로드러너 프로젝트 토요타도 다 나름의 계획이 있다. 원통형이 처음 개발된 90년대의 주 사용처가 캠코더였기 때문이다. 이후 원통형 배터리는 각종 IT 제품 뿐 아니라 청소기 전기차 등 다양한 분야에 사용되기 시작하며 폭발적으로 수요가 증가했고 2020년 시장 규모가 연간 약 50억 셀에 이를 정도로 성장했다.

삼성SDI가 독일 완성차 업체인 BMW와 차세대 전기차(EV) 원통형 배터리 개발을 진행한다. 개발이 완료되면 헝가리 괴드 공장에서 생산이 이뤄질 전망이다. 2021년 4월 14일, BMW는 삼성SDI에 원통형 배터리 조달 의사를 타진한 것으로 전해졌다. 테슬라가 주로 쓰는 21700 규격 원통형 배터리(지름 21㎜, 높이 70㎜)를 비롯해 차세대 제품 개발이 포함됐다. 합작사 설립 등의 방안도 추진되는 것으로 관측된다.

LG에너지솔루션이 기존 주력 제품이던 파우치형에 이어 원통형 배터리 투자 속도를 높인다. 이 회사는 2021년 3분기까지 충북 오창공장의 원통형 배터리 생산능력을 25% 늘릴 예정인 것으로 확인됐다. 투자 규모는 수백억원 수준으로, 증설이 끝나면 오창 및 중국 난징공장의 원통형 배터리 생산능력은 기존 20GWh(기가와트시)에서 35GWh로 확대된다. 또 오창공장의 원통형 배터리 생산라인은 10기로 늘어난다. 이번 투자는 애초 계획을 앞당긴 것이다. LG에너지솔루션은 올해 말까지 오창공장에 10기의 원통형 배터리 생산라인을 갖출 예정이었다. 또 2023년까지 오창과 중국 난징공장을 합쳐 원통형 배터리 생산능력을 현재의 세 배인 총 60GWh로 늘린다는 목표다. 60GWh는 연 100만대 이상의 전기차에 배터리를 공급할 수 있는 수준이다.

역사

1991년 일본 소니가 세계 최초로 원통형 리튬이온 배터리를 상용화했다. 소니는 자사 캠코더의 경쟁력을 향상시킬 목적으로 리튬이온 배터리를 개발했다. 리튬이온 배터리에서 가장 많이 쓰이는 전지가 18650 원통형 전지로 지름 18mm, 높이 65mm 이다. 소니는 캠코더를 주로 사용하는 사람들이 중년의 동양 남자라는 것을 파악하고 중년의 동양 남자가 잡았을 때 가장 안정감을 느낄 수 있는 전지 크기로 18650 원통형 전지를 설계했다. 작고 가벼우면서도 에너지 밀도, 출력 특성, 장시간 사용 등 성능면에서 가장 우수한 특성을 가지며 휴대전화, 캠코더, 디지털카메라, 노트북PC, MD 등에 사용되고 있으며, 초박형이나 가공성을 요구하지 않는 분야에서 많이 사용되는데, 평균3.7V의 높은 작동전압으로 각종 휴대전화의 소형 경량화를 가능케 하였고, 통상 500회 이상의 충.방전 반복이 가능하다.

1996년 각형, 1999년 파우치형, 2003년 전동공구용 원통형 리튬이온 배터리의 개발을 통하여 널리 사용되었으며, 전기차용 리튬이온 배터리(원통형)는 국내기업인 LG화학이 세계 최초로 양산하였다.

2007년 애플 아이폰의 등장 이후, 스마트폰·노트북 등 전자기기가 얇아지면서 알루미늄 막을 적용한 주머니 형태 배터리(파우치형)를 쓰는 게 대세가 됐기 때문에 원통형 배터리는 형태 제약 때문에 점차 시장에서 밀려났다.

전기차 배터리업계에서 파우치나 각형에 밀려 '애물단지' 취급을 받은 원통형 배터리가 전기차(EV) 모델이 다양해지면서 다시 주목 받고 있다. 원통형 배터리의 화려한 복귀는 미국 전기차 메이커 '테슬라' 덕분이다. 테슬라의 보급형 세단 모델3만 하더라도 3000~4000개의 원통형 배터리가 차량 하부에 촘촘하게 들어가 있다. 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)는 EV 시장 진입 직후부터 일본 전자업체 '파나소닉'과 원통형 배터리를 공동 개발했다. 에너지 저장용량은 파우치형 배터리보다 적지만, 양산 단가가 저렴한 장점이 있기 때문이다. 또 원통형은 외관이 견고해 폭발 위험도 상대적으로 낮다.

46800 배터리

46800 배터리(출처: 배터리데이 공식영상)

도식도

탭

46800팩 시스템

46800 배터리는 테슬라가 자체 개발한 기존 리튬이온 액체 전해질 배터리를 바탕으로 한 원통형 배터리이다. 파나소닉이 공동으로 개발, 에너지 밀도를 높이면서 안정성을 확보하는 등의 검증 작업을 함께 한다.

46800 배터리는 상용화 자체는 상당한 확률로 수년내로 곧 등장할것으로 보인다. 테슬라의 46800 원통형 배터리는 테슬라의 새로운 전기차 플렛폼 이런바 배터리 모듈- 차량프레임 일체화 기술로 기존 21700 원통형 배터리보다 상당한 에너지 밀도를 가질 것으로 보인다.

46800 배터리의 특징은 그 이름에서 알 수 있듯 크기가 크다는 것이다 기존 21700 배터리에서 지름은 21 -> 46mm로, 높이는 70 -> 80mm로 커지면서 부피 역시 25배 가량 늘어났다. 동시에 에너지 밀도는 5배, 출력은 6배 늘리고 46800 배터리를 사용한 주행거리 역시 16% 가량 늘리겠다는 것이 테슬라의 계획이다. 배터리의 크기를 키우면 성능은 좋아지고 생산원가가 저렴해지는 것은 누가 봐도 상식적으로 당연해 보인다.

그렇다면 왜 기존 배터리 제조업체들은 이런 대형화를 시도하지 않았던 것일까? 원인은 안전과 성능에 있다. 배터리 크기가 커지면 내부에서 더 많은 열이 발생하고 열은 표면을 통해 외부로 적절히 배출돼야 한다. 그렇지 못하면 내부의 열과 압력이 상승하다 일정 수준에 다다랐을 때 폭발해버리고 만다. 때문에 열이 적절히 배출될 수 있도록 최소한 부피가 커지는 만큼 단면적도 커져야만 한다. 하지만 이는 결코 쉽지 않다. 아래의 간단한 도식도를 보면 정육면체의 직경이 1cm -> 2cm로 2배 늘어날 때 부피는 8배가 늘어나지만 단면적 증가분은 4배에 불과하다 자연히 더 많은 열이 배출되지 못하고 갇힐 수밖에 없고 과도한 열로 인해 폭발 위험은 커지고 출력은 떨어지게 된다.

이런 문제를 테슬라는 어떻게 해결하려는 것일까? 열을 밖으로 배출시킬 수 없다면 근본적으로 발생하는 열의 양 자체를 줄이겠다는 것이 일론 머스크의 계획이다. 46800 배터리와 함께 배터리 데이에선 '탭리스(Tabless) 배터리'에 대한 생산 계획이 공식적으로 발표되었다. 탭(Tab)이란 배터리 내부의 전자가 외부의 전력 공급장치를 오고 가는 이동 통로를 말한다. 아래 그림 참조 배터리의 기능을 위해선 불가피한 부품이지만 탭의 존재로 인해 내부 저항이 커져 배터리 안에서 더 많은 열이 발생하게 된다. 때문에 이 탭을 제거해 저항을 줄임으로써 열 발생을 줄이겠다는 것이다.

참고자료

• 〈전기차 배터리 종류〉, 《시사상식사전》
• 〈전기차 배터리 표준〉, 《한경 경제용어사전》
• 이수환 기자, 〈한때 천덕꾸러기 원통형 배터리, 테슬라 덕분에 부활〉, 《디일렉》, 2020-10-05
• cobok, 〈46800, 원통형 배터리의 새로운 패러다임을 제시하다〉, 《브런치》, 2020-10-03
• LIfe is Data, 〈차세대 배터리 현황 46800 배터리와 전고체 배터리〉, 《티스토리》, 2021-01-24
• 이수환 기자, 〈CES리포트 파나소닉, 테슬라 자체 개발 배터리 공동 검증〉, 《디일렉》, 2021-01-13
• 김영민 기자, 〈테슬라 타고 돌아온 원통형 배터리…현대차도 탑재할 듯〉, 《중앙일보》, 2021-04-13
• 준선우, 〈화학개론 전지의 원리와 형태〉, 《LG화학공식블로그》, 2016-07-27
• 이수환 기자, 〈삼성SDI-BMW, 차세대 전기차 배터리 개발 나선다〉, 《 디일렉》, 2021-04-14

같이 보기

• 파우치형
• 각형
• 배터리

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