전기차 원통형배터리의 이해 (구조, 장점, 단점)

원통형배터리는 우리가 일상에서 편하게 접할 수 있는 배터리이다. 보통 마트에서 주로 판매하는 AA나 AAA의 소형배터리를 주로 보았을 것이다. 하지만 전기차개발이 가속화되면서 보다 큰 사이즈의 원통형배터리가 개발되고 있다. 이번 포스팅에서는 전기차 선두주자 테슬라가 선택한 원통형배터리의 구조 및 원리를 알아보고 이해하고자 한다.

 

 

 

1.구조 및 종류

아래 그림은 원통형배터리의 구조를 나타낸다. 대표적으로 테슬라가 원통형배터리를 주력으로 사용하고있다. 다음과같이 익숙한 구조로 되어있으며 극판을 둥글게 말아서 생산된다. 가장 고전적이고 오래된 방법이다. 

원통형배터리 (출처 : cyclenbatt)

양극-음극-분리막이 스택으로 되어있고, 돌돌말려서 외장재 캔에 덮여저 있는 구조이다. 양극과 음극의 탭은 각각 반대방향으로 나와 우리가 생각하는 건전지처럼 단자를 연결하는 구조로 되어있다. 뉴스기사를 보면 테슬라에 들어가는 원통형 셀을 18650, 2170, 4680 셀이라고 이야기하곤한다.

원통형배터리 사양 비교 (출처 : 신영증권 리서치센터)

이것은 배터리의 규격을 의미한다. 46은 직경 80은 높이를 나타낸다. 배터리의 크기를 증가시켜(1865->2170-> 4680) 순서로 개발해오고 있다. 배터리 크기가  커질수록 용량, 에너지밀도, 제조단가가 절약되고 있다. 이것이 의미있는 셀 크기가 커짐에 따라 들어가는 외장재의 양을 절약할 수 있고, 빈 공간(space)를 최대한 줄일 수 있으면서 용량을 증가되기 때문이다. 결과적으로 현재 전기차의 가장 큰 문제점인 주행거리를 증가할 수 있다. 

 

 

 

2.원통형배터리의 장점

가격 경쟁에 있어 유리하다. 가장 오래된 양산방법이기 때문에, 오랜 공정기술이 발달되어 있다. 또한 가장 기본적이기 때문에 생산량을 증가하는데 있어 파우치나 각형배터리에 비해 생산 단가가 저렴하다. 그에 따라 전기차 판매시 가격경쟁력을 높일 수 있다. 또한 내구성이 우수하다. 금속 캔을 외장재로 사용하기 때문에 외부에 높은 힘이 가해져도 파손되지 않는 장점이 있다. 결과적으로 배터리 내부를 보호하기 때문에 전해액이 누출될 위험이 줄어들어 배터리 화재도 예방하는 장점이 있다. 

 

 

 

3.원통형배터리의 단점

상대적으로 다른 형태의 배터리보다 에너지밀도가 낮다. 파우치형 배터리나 각형 배터리같은경우 적층구조로 셀을 제조하기 때문에 사용하지 않는 공간이 매우 적다. 같은 부피의 배터리 팩을 예로 들 경우, 공간사용을 최소화하기 때문에 상대적으로 용량 및 에너지 밀도가 낮다. 현재 원통형 배터리를 채택한 테슬라의 경우 이러한 문제를 극복하기 위해 배터리의 크기를 늘리거나, 탭리스 기술을 적용하여 에너지밀도를 높이고 있다.

테슬라 전기차 원통형배터리팩 (출처 electrek)

전기차 선두주자인 테슬라는 가격경쟁력을 확보하고, 빠른 생산성을 위해 원통형 배터리를 선택하였다. 테슬라가 전기차 1위 업체가 된 배경에는 이러한 원통형배터리 전략이 들어맞았다고 생각된다. 현재 현대, 폭스바겐, BMW는 각형이나 파우치배터리를 선택하여 시장점유를 늘리고 있다. 향후에 파우치나 각형이 원통형배터리의 점유를 이겨낼 수 있을지 기대된다.