리튬 이온 배터리 종류와 장단점 분석[각형 배터리, 파우치형 배터리, 캔형 장단점]

 

리튬 이온 배터리는 현대 기술의 중추적인 요소로, 충전이 가능한 이차전지로서 주로 자동차 산업에서 활용된다. 전기차가 급격히 보급되면서 리튬 이온 배터리의 중요성은 날로 높아지고 있으며, 이러한 배터리는 파우치형, 캔형, 원통형의 세 가지 주요 형태로 구분된다. 각 형태는 고유의 장점과 단점을 지니고 있으며, 다양한 전자제품과 웨어러블 기기에서도 폭넓게 사용되고 있다. 

파우치형 전지 (Pouch Type)

 

파우치형 전지는 높은 에너지 밀도를 특징으로 하며, 그 재질이 유연해 다양한 형상을 만들 수 있다는 점에서 매우 유용하다. 특히, 초박형 웨어러블 기기의 발전과 함께 파우치형 전지의 수요는 꾸준히 증가하고 있다.

1. 높은 에너지 밀도: 파우치형 전지는 동일한 크기와 무게에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있어, 전기차와 같은 공간 제약이 큰 제품에 적합
2. 유연성: 재질이 유연하여 다양한 형태로 제작할 수 있으며, 얇은 두께 덕분에 열 관리가 용이합니다. 이는 전지의 안전성과 수명을 연장하는 데 기여
3. 셀 스웰링 관리 용이: 파우치형 전지는 셀 스웰링(배터리 내부의 압력 증가로 인해 셀이 팽창하는 현상)을 관리하기가 상대적으로 쉬워, 장기간 사용 시 안정적인 성능을 유지

하지만, 이러한 장점에도 불구하고 파우치형 전지는 몇 가지 단점을 가지고 있다. 첫째, 스택(Stack) 공정을 사용하기 때문에 생산성이 낮으며, 재질이 유연하여 셀 고정 기구를 필요로 한다. 이는 모듈이나 팩으로 구성할 때 개발 난이도가 높아지는 원인이 된다, 그럼에도 불구하고, 현대자동차, 폭스바겐, 아우디 등 여러 주요 자동차 제조사들은 이 기술을 전기차에 적용하고 있다.

젤리롤

 

아래서 이야기할 배터리 2개는 젤리롤 구조를 가지고 있는데 두 개의 주요 구성 요소인 양극(positive electrode)과 음극(negative electrode), 그리고 이들 사이에 있는 분리막(separator)이 마치 젤리롤이나 시나몬 롤처럼 말려 있는 형태를 의미한다.

1. 양극 (Positive Electrode): 알루미늄 호일에 코팅된 양극 물질(예: 리튬 코발트 산화물, 니켈, 망간 등)로 구성
2. 음극 (Negative Electrode): 구리 호일에 코팅된 음극 물질(예: 흑연)로 구성
3. 분리막 (Separator): 양극과 음극 사이에 위치한 얇은 폴리머 필름으로, 전기적으로는 절연체지만 이온은 통과할 수 있게 하여 두 전극이 직접 접촉하는 것을 방지

캔형 전지 (Can Type)

캔형 전지는 기계적 안정성이 뛰어나고 배터리 팩 구성 시 용이하다는 장점이 있다. 또한, 젤리롤(Jelly Roll) 형태의 전극 구조를 사용해 생산성이 매우 높다. 

1. 기계적 안정성: 캔형 전지는 견고한 구조를 가지고 있어 외부 충격에 강하고, 배터리 팩으로 구성할 때 안정성이 높음
2. 높은 생산성: 젤리롤 형태의 전극 구조 덕분에 빠르고 효율적인 생산이 가능하며, 대량 생산에 적합

그러나 캔형 전지는 파우치형 전지보다 에너지 밀도가 낮고, 셀 스웰링을 관리하는 데 어려움이 있다. 이로 인해 BMW i3와 같은 일부 전기차 모델에 적용되었다.

원통형 전지 (Cylindrical Type)

원통형 전지는 오랜 기간 동안 사용되어 왔으며, 그 결과 생산 라인이 최적화되어 생산 단가가 낮다. 또한, 기계적 안정성이 뛰어나 배터리 팩 구성 시 용이하다.

1. 기계적 안정성 및 낮은 생산 단가: 원통형 전지는 견고한 구조와 최적화된 생산 라인 덕분에 다른 형태의 전지보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있음
2. 높은 생산성: 젤리롤 형태의 전극 구조를 사용하여 빠르고 효율적인 생산이 가능하며, 대량 생산에 적합

하지만, 원통형 전지는 에너지 밀도가 낮고, 배터리 팩을 구성하기 위해 많은 셀을 연결해야 하는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고, 테슬라는 원통형 전지를 채택해 왔으며, 셀 투 바디(Cell to Body) 형태의 차량을 지속적으로 개발해 오고 있다.