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 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.[1]
46800 배터리
.png)
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.[2]
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.[1]
참고자료
- 〈전기차 배터리 종류〉, 《시사상식사전》
- 〈전기차 배터리 표준〉, 《한경 경제용어사전》
- 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
같이 보기
- ↑ 1.0 1.1 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
