4. 배터리 Type
[그림] 배터리 모양별 종류
(출처 : LG화학 홈페이지)
그림을 보면 원형은 원통형 모양, Packing이 pouch로 되면 Pouch, 사각형 모양이면 각형이라고 명칭한다. 전기차에서 원형은 Tesla, 파우치는 LG화학, 각형은 삼성SDI가 대표적인 기업이다.
[그림] 전기차 장착 단계별 명칭
Cell – Module - Pack
차량 장착 단계별 명칭은, 배터리 단독은 Cell, Cell을 4개에서 12개정도 모으면 Module, 모듈을 4개, 8개, 12개를 모아서 차량에 바로 장착할 수 있는 단계를 Pack 이라고 한다.
4.1. 원형(Cylindrical)
원형 배터리는 우리 생활 주위에 많이 사용되고 있는 AA, AAA 1차전지가 대표적인 사례이다. 원형이 많이 사용되는 이유는 만들기 쉽고 가격이 싼 것이 중요한 요소이다. 원형 캔으로 되어 있는 제품을 우리 주위에서 많이 볼 수 있다. 탄산음료 캔 같이 원형 알루미늄 캔은 각형 캔보다는 상당히 만들기 쉽다. 원형 캔 생산 속도를 보면 눈으로 구분되지 않는 속도로 캔이 만들어 지는 것을 확인할 수 있다. 각형은 한번의 프레스로 캔 형상을 만들 수가 없고 여러 번 프레스 해서 만들 수 있으므로 캔 제작 단가가 원형보다 높다. 그리고 캔 내부에 들어가는 전지 극판 소재도 원형으로 말아서 넣으면 쉽게 넣을 수 있습니다. 각형은 네모난 모양으로 만들어서 넣어야 하므로 추가로 형태를 만드는 공정을 넣어야 한다.
스프레이 같이 원형 캔 형태는 형태 크기가 비슷한 규격화 되어 있듯이 이차전지 원형 배터리도 규격화 되어 있다. 전기차용 배터리로 테슬라가 원형 배터리를 적용해서 많이 알려졌다. 원형 배터리 표준 크기는 18650 으로 최초 규격화 되었다. 높이 65mm 직경 18mm 사이즈가 보편적으로 사용된다. 테슬라가 전기차용으로 원형을 사용함으로써 더 많은 용량 증가 필요성으로 높이 70mm 직경 21mm 로 용량을 30% 증가시킨 21700 규격이 최근 개발되었다.
* k=known, e=very closely estimated, c=calculated
테슬라에 사용되는 18650과 21700을 비교해 보면 에너지 밀도를 15% 증가시켰는데 용량이 3400mAh 에서 5750mAh 까지 70% 증가하였다. 양극재는 NCA를 사용하여 니켈 함량을 높이고 음극재는 흑연에 실리콘을 일부 첨가한 것으로 알려져 있다.
[그림] 18650 Specification 상세 규격
18650 Spec을 보면 양극재를 LCO를 사용하고 용량 3200mAh, 전압 3.6V 이다. LG와 삼성을 비교하면 삼성 max 연속방전전류가 6.4A 로 LG 4.65A 보다 높다. (비교 데이터는 임의로 선택된 모델일 뿐 모든 LG화학, 삼성SDI 배터리 성능을 대변하는 것은 아님)
파나소닉은 NCA 양극재를 사용했고 삼성은 LCO를 사용했다. 최근 전기차에 적용되고 있는 21700 을 비교해 보면 용량이 LG화학, 삼성SDI 5000mAh 대비 테슬라가 5750mAh 이고 무게도 68g 대비 66g 으로 더 가볍다. 테슬라 21700이 최초 출시된 초기 spec을 비교한 데이타고 최근 spec은 3사 데이터가 비슷하다. 테슬라가 파나소닉과 손잡고 많은 연구를 한 것으로 보인다. 원형 배터리는 파워툴 영역에서 많이 사용되는 배터리이다. 양극재는 높은 전압이 일정하게 유지되는 LMO가 많이 적용되고, 다소 전압이 낮더라도 안정적인 출력이 필요한 의료기기용 전력으로 많이 사용되는 LFP, NCM/NCA는 높은 용량 특성으로 주행거리 증가가 중요한 자동차 영역 적용이 늘어나는 것이다.
a) LG‐S3 b) Panasonic c) LG‐S3 and d) Panasonic e) Sanyo f) Samsung g) Sanyo h) Samsung
원형 배터리 구조는 위에서부터 Top 버튼, PTC, Vent, CID, Gasket 으로 크게 구분된다. 4가지 배터리 제조사 분해도를 보면 구조적으로 큰 차이는 없고 삼성은 PTC가 없는 상대적으로 간단한 구조를 가지고 있다. 이렇게 부품은 생략하는 이유는 원가 경쟁력을 가지고 위해서 시도하는 것이고 신뢰성이 검증되면 타 기업들도 대부분 적용하게 된다.
(출처 : Arts energy)
①번그림 : PTC는 과전류가 발생하면 high impedance mode, 저항이 높아져 전류량을 줄이게 한다. 계속 내부 압력이 높아지면 ②번 그림 : CID가 끊어지면서 양극과 CID가 분리되어 전류가 차단된다. 차단 후 계속 압력이 증가되면 ③번 그림 : Vent 가 열리면서 내부의 Gas를 외부로 방출시키면서 화재, 폭발을 방지하게 된다. 연속 동작은 CID가 올라가고 Vent 가 터지면서 가스가 분출되는 것이다.
원형 전지 사용처를 보면 과거에는 노트북에 주로 사용되었고 최근에는 두께 문제로 노트북에는 폴리머가 주로 사용된다. 그리고 전동공구 같은 파워툴에 리튬이온 배터리 적용이 많아지고 있다. 최근 시장이 많이 확대된 무선 청소기에도 원형 전지 사용량이 급증하고 있다.
[그림] 다이슨 무선 청소기 파워팩 내부 (18650 Cell 6개)
전기차 선두업체인 테슬라가 원통형 배터리를 사용함으로써 원통형 전지가 전기차의 주 사용처로 부상했다. 재규어 등 타 전기차 제조 기업들도 원통형 적용하는 사례가 늘어나고 있다. 현재 전기차에는 파우치, 각형, 원형 3가지 방식이 경쟁을 하고 있다. 테슬라 자동차 바닥에 배터리팩이 위치하고 Model3 경우 21700 셀 4416개 478kg 무게를 가지고 있다. 이렇게 많은 배터리는 용접으로 연결하게 된다. 어떻게 보면 파우치, 각형 보다 만들기 쉬운 것으로 보인다. 극판 권취 속도를 보면 대량 생산에 가장 적합한 형태이다. 다만 중앙 내부 열관리가 필요한 구조이다.
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