전기차 배터리의 세 가지 주요 형태: 파우치형, 각형, 원통형 배터리

전기차 배터리는 자동차의 성능과 효율성에 큰 영향을 미치는 핵심 부품으로, 그 형태에 따라 다양한 특성과 장단점을 가지고 있습니다. 이번 글에서는 파우치형, 각형, 원통형 배터리의 구체적인 특성과 기술적인 차이를 논문과 최신 연구 자료를 바탕으로 심도 있게 분석해 보겠습니다.

전기차 배터리

1. 파우치형 배터리 (Pouch Type)

형상과 구조적 특징

파우치형 배터리는 얇은 필름으로 둘러싸인 유연한 형태를 가지고 있으며, 내부는 리튬 이온을 저장하는 젤리롤(jelly-roll) 형태로 구성되어 있습니다. 이 유연한 디자인은 다양한 형상으로 제작할 수 있어, 자동차 제조사들이 배터리를 차량의 특정 공간에 맞게 설계할 수 있도록 해줍니다.

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장점

• 높은 에너지 밀도: 파우치형 배터리는 같은 부피 내에서 다른 형태의 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 연구에 따르면, 파우치형 배터리는 다른 형태에 비해 약 20~30% 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있습니다 .
• 열 관리: 파우치형 배터리는 큰 표면적 덕분에 열을 효과적으로 분산시킬 수 있습니다. 이는 특히 고출력 상태에서의 열 관리를 용이하게 하여, 배터리의 안전성과 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다 .

전기차 배터리

단점

• 생산성 및 안전성: 파우치형 배터리는 외부 충격에 약해 기계적 보호가 필요하며, 이는 배터리 팩 설계의 복잡성을 증가시킬 수 있습니다. 또한, 내부 단락이 발생할 경우 화재나 폭발의 위험이 더 크다는 단점이 있습니다 .
• 비용: 이 형태의 배터리는 생산 공정이 복잡하고, 보호를 위한 추가적인 구조 설계가 필요하므로, 제조 비용이 더 높아질 수 있습니다.

적용 사례

파우치형 배터리는 LG에너지솔루션과 SK이노베이션이 주요 제조사로 활동하며, GM, 현대기아차, 닛산, 르노 등 다양한 자동차 제조사에서 사용되고 있습니다.

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이러한 배터리는 주로 전기차의 배터리 팩에 고밀도 에너지 저장이 필요할 때 사용됩니다.

2. 각형 배터리 (Prismatic or Square Type)

형상과 구조적 특징

각형 배터리는 견고한 금속 케이스에 리튬 이온을 저장하는 젤리롤이 들어가 있으며, 배터리 셀이 사각형의 형태로 구성됩니다. 이러한 구조는 높은 기계적 안정성을 제공하며, 차량 구조에 맞게 쉽게 배치할 수 있는 장점이 있습니다.

전기차 배터리

장점

• 기계적 안정성: 각형 배터리는 금속 케이스로 보호되므로, 외부 충격에 강하며, 구조적 안정성이 뛰어납니다. 이러한 특성은 배터리 팩의 안전성을 높이고, 긴 수명을 보장합니다 .
• 팩 구성 용이성: 사각형 형태 덕분에 배터리 팩을 구성할 때 효율적이며, 모듈화가 용이합니다. 이는 생산성 향상으로 이어지며, 대량 생산에 유리한 구조를 제공합니다.

 

단점

• 에너지 밀도: 각형 배터리는 파우치형에 비해 에너지 밀도가 낮습니다. 이는 동일한 부피 내에서 저장할 수 있는 에너지가 적다는 것을 의미합니다 .
• 열 관리 문제: 각형 배터리는 금속 케이스로 인해 열 축적이 발생할 수 있으며, 이는 열 관리가 중요한 문제로 작용합니다. 따라서 추가적인 냉각 시스템이 필요할 수 있습니다.

적용 사례

삼성SDI, 도시바, CATL 등이 각형 배터리의 주요 제조사이며, BMW와 BYD 같은 고급 전기차 브랜드에서 널리 사용됩니다. 이 형태는 안정성을 중요시하는 프리미엄 전기차에서 주로 채택되고 있습니다.

3. 원통형 배터리 (Cylindrical Type)

형상과 구조적 특징

원통형 배터리는 가장 오래된 배터리 형태로, 일반적으로 18650, 21700 등의 규격으로 제공됩니다. 이 배터리는 원통형 금속 케이스에 리튬 이온을 담아, 균일한 크기와 형태로 대량 생산이 가능하다는 특징이 있습니다.

전기차 배터리

장점

• 생산성: 원통형 배터리는 표준화된 생산 공정을 통해 대량 생산이 가능하며, 이는 제조 비용을 낮추고 공급망의 안정성을 높이는 데 기여합니다 .
• 열 관리 효율성: 원통형 배터리는 셀 사이의 공간이 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 설계되어 있어, 고출력 상태에서도 발열을 효과적으로 관리할 수 있습니다. 이는 특히 고속 충전 시 유리합니다.

단점

• 에너지 밀도 제한: 원통형 배터리는 에너지 밀도 면에서 파우치형이나 각형 배터리에 비해 상대적으로 낮습니다. 이는 동일한 용량을 얻기 위해 더 많은 배터리 셀이 필요하다는 것을 의미합니다.
• 팩 구성 복잡성: 다수의 셀을 연결해야 하므로, 배터리 팩 설계가 복잡해질 수 있으며, 연결 문제로 인한 신뢰성 이슈가 발생할 수 있습니다 .

적용 사례

LG에너지솔루션과 파나소닉이 원통형 배터리의 주요 제조사로 활동하며, 특히 테슬라가 원통형 배터리를 주요 전력원으로 사용합니다. 테슬라는 원통형 배터리의 장점을 극대화한 배터리 팩 설계로 유명합니다.

결론

전기차 배터리의 형태는 차량의 성능, 효율성, 안전성에 큰 영향을 미치며, 각 형태는 고유의 장단점을 가지고 있습니다. 파우치형 배터리는 높은 에너지 밀도와 열 관리에 강점을 지니고 있으며, 각형 배터리는 기계적 안정성과 생산성에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 원통형 배터리는 대량 생산과 열 관리에서 우수하지만, 에너지 밀도와 팩 구성의 복잡성에서 단점이 있습니다.

전기차 제조사들은 이러한 배터리 형태의 특성을 고려하여 차량에 적합한 배터리를 선택하며, 각 형태의 배터리는 특정 용도와 차량 디자인에 최적화된 성능을 제공하도록 설계됩니다. 전기차를 구매할 때는 이러한 배터리의 차이점을 이해하고, 자신의 사용 용도와 요구에 맞는 차량을 선택하는 것이 중요합니다.