전기차 배터리에 관하여 알아보자 : 셀과 모듈과 팩

배터리의 구성요소 : 셀과 모듈과 팩의 차이점은?

1. 이차전지 (2차전지)

1.1 이차전지란?

이차전지는 충/방전이 가능한 배터리로 현재 널리 쓰고 있는 리튬이온배터리 말고도 납축전지, 니카드전지 등이 사용되어져 왔다.

 

리튬이온배터리는 소형기기 (핸드폰 등)과 EV등 대형기기에 사용되고 있으며

납축전지의 경우 energy stroage system(ESS)에 사용되고 있다.

 

현재 ESS로 LFP 양극재가 들어간 리튬이온배터리 상용이 검토되고 있기도 하다.

 

일반적으로 우리가 아는 건전지 (알카라인 전지)도 배터리의 일종으로 일차전지라고 부른다.

일차전지란 일회성으로 방전만 가능한 비가역적인 시스템, 이차전지는 방전과 충전이 가역적으로 일어나는 시스템으로 알아두시면 기억하기 편하실거다.

 

1.2 이차전지 구성요소

이차전지의 4대요소라고 한다면 양극,음극,분리막, 전해액이 있겠다.

양극과 음극은 전기화학 반응에 직접적으로 참여하여 에너지를 저장하거나 소비하는 역할을 하고,

전해액은 양극과 음극이 서로 반응할 수 있게 이온통로를 제공한다.

마지막으로 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 닿는 것을 막아주는 역할을 한다.

 

여기서 분리막은 굉장히 중요한 부분을 차지하게 되는데,

우리가 흔히 말하는 내부단락으로 인한 발열 및 화재는 lithium dendrite가 자라서 분리막을 뚫고 양극이랑 직접적으로 닿아 생기는 일이니 분리막이 안전에 있어서 중요한 역할을 차지하고 있다고 해도 과언은 아니다.

 

* 리튬이온배터리의 전해액이 궁금하다면 여기!

https://kkangjeong2.tistory.com/88

2차전지 / 리튬이온배터리 유기계 전해질 : 어떤 전해액이 사용되어야 하는가

 

2. 배터리 단위

2.1 셀

이까 이차전지의 구성요소로 양극, 음극, 분리막, 전해액이 있다고 하였는데 이 4개의 요소를 가지고 물리적으로 특정 형태로 조립한 단위를 셀이라고 한다.

 

보통 셀이라고 하면 생물에서는 세포를 의미하지만, 큰 의미의 셀은 제일 작은 단위라고도 해석할 수 있으니 배터리 셀이라 하면 성능을 구현할 수 있는 배터리의 작은 단위라고 생각하시면 된다.

 

셀은 크게 파우치 셀, 원통형 셀, 각형 셀 등이 있으며

우리나라에선 LG 에너지솔루션의 주력사업이 파우치 셀과 원통형 셀

삼성 SDI의 주력사업이 각형 셀이라고 보시면 된다.

 

2.2 모듈

이러한 셀들이 수십개가 모인 것을 모듈이라고 한다.

 

2.3 팩

모듈이 모인 것. 전기차에 들어가는 단위가 되겠으며 셀들이 수천개가 모여야 배터리 팩이 된다.

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출처 : 삼성 SDI

3. 셀에 대하여

3.1 파우치 셀

LG 에너지솔루션의 주력사업 중 하나인 파우치 셀은 굉장히 소프트한 배터리로 성형에 유리하다.

하지만 전극을 층층히 쌓아서 적층형식으로 파우치 셀을 조립하기 떄문에 생산성의 측면에서는 불리하다고 볼 수 있다.

 

또한 겉이 매우 소프트하기 때문에 뾰족한 것에 뚫리기가 쉬우며,

부반응으로 인한 gas 발생 시 vent할 수 있는 방도가 없다는 것이 치명적인 단점이다.

 

하지만 팩으로 만들었을 때 에너지 밀도가 높다는 장점을 가지고 있다.

 

3.2 원통형 셀

LG 에너지솔루션의 또 하나의 주력사업인 원통형 셀은 외부도선과 셀 내부의 거리상의 문제로 크기를 자유자재로 만들기 힘들며 기존 18650 규격의 셀에서 4680 규격의 셀로 규격을 키우고 있지만 더 키우기 위해선 많은 연구가 필요할 것 같다.

 

원통형 셀은 우리가 아는 건전지 모양으로 딱딱한 하드 케이스가 전극을 감싼 형태이다.

전극은 젤리롤타입으로 말려들어가 생산성이 우수하지만, 진동에 취약하다는 단점이 있다.

 

원통형셀에 이것저것 장치를 달 수 있어서 gas가 찼을 때 vent가 용이하다.

 

3.3 각형 셀

삼성 SDI의 주력사업인 각형 셀은 옛날 스마트폰 초창기에 배터리가 탈부착 식이었을 때 우리가 봤던 배터리 모양으로 보시면 편하다. 물론 중대형전지의 경우 모양이 다소 다르고 전극의 packing 방향도 달라서 다른 셀이라고 착각 할 정도로 꽤 다른 시스템을 가지고 있다.

 

각형 셀 또한 전극이 젤리롤타입으로 말려 들어가 있어서 생산성이 우수하고 하드 케이스가 전극을 보호해 외부 충격에 강하다.