원통형 배터리에 관한 모든 것

This entry is part 1 of 24 in the series 배터리

전기차 시대의 도래와 함께 배터리 기술은 눈부신 발전을 거듭하고 있습니다. 그중에서도 원통형 배터리는 안정성과 효율성 면에서 주목받으며, 다양한 전기차 제조사들이 선택하는 핵심 에너지원으로 자리 잡았습니다. 테슬라부터 루시드 모터스까지, 이들이 원통형 배터리를 선택한 이유는 무엇일까요? 그리고 이 배터리의 구조적 특성과 작명법은 어떤 의미를 담고 있을까요?

이번 포스팅에서는 원통형 배터리의 기본 개념부터 장단점, 그리고 이를 채택한 대표적인 전기차 제조사들까지, 원통형 배터리에 관한 모든 것을 알아보겠습니다. 이 글을 통해 원통형 배터리가 왜 전기차 업계에서 중요한 역할을 하고 있는지, 그리고 미래의 배터리 기술이 어떤 방향으로 나아갈지에 대한 이해를 높일 수 있을 것입니다. 함께 살펴보시죠.

원통형 배터리란

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그림1. 원통형 배터리 [1]

원통형 배터리는 이름 그대로 원통 모양의 구조를 가진 배터리를 말합니다. 이 배터리는 우리가 일상적으로 사용하는 건전지와 비슷한 형태를 하고 있으며, 그 크기와 규격에 따라 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 특히 전기차에서 중요한 에너지원으로 사용되며, 그 구조적 강도와 효율성 덕분에 많은 주목을 받고 있습니다. 원통형 배터리는 직경과 길이를 기준으로 18650, 21700, 4680 등 다양한 규격으로 나뉘며, 각각의 규격에 따라 에너지 밀도, 안정성, 열 관리 효율성 등에서 차이를 보입니다.

이러한 원통형 배터리는 다양한 장점을 바탕으로 전기차뿐만 아니라 전자기기, 산업용 장비 등에서도 널리 사용되고 있으며, 배터리 기술 발전과 함께 계속해서 진화하고 있습니다. 이번 포스팅에서는 원통형 배터리의 장단점, 작명법, 그리고 이를 채택하는 전기차 제조사들에 대해 자세히 알아보겠습니다.

원통형 배터리의 장점

이번 챕터에서는 각형, 파우치형 배터리와 비교되는 원통형 배터리만의 대표적인 장점 세가지를 정리해보겠습니다.

첫 번째 장점은 구조적 강도입니다. 원통형 배터리의 구조는 금속 캔으로 제작하는데요. 따라서 얇은 플라스틱 재질을 갖는 파우치형 배터리에 비해 외부 충격에 매우 강합니다. 이렇게 외부 충격에 강하다는 특징은 전기차용 배터리로서 큰 장점을 갖는데요. 왜냐하면 배터리 ‘안정성’이 매우 커지기 때문입니다. 전기차 배터리는 외부 충격에 매우 민감하게 반응합니다. 충격에 의한 화재, 폭발의 위험성이 있죠. 따라서 외부 충격으로부터 배터리를 보호할 수 있다면 그 자체만으로도 배터리 안정성을 크게 향상시켜줄 수 있습니다.

두 번째 장점은 열 관리의 효율성입니다. 전기차 배터리에서 열 관리는 매우 중요한 요소입니다. ‘열’은 배터리의 성능과 안전성에 큰 영향을 주기 때문인데요. 열이 효과적으로 배출되지 않아 배터리 온도가 올라가게 되면 배터리는 제 성능을 발휘할 수 없을 뿐만 아니라 ‘열폭주’ 위험에 노출되게 됩니다. 따라서 배터리 제조사에서는 배터리에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 다양한 방법을 연구하는데요. 원통형 배터리는 구조적 특성으로 이러한 면에서 유리합니다. 원통형 배터리를 쌓아 전기차 배터리로 만드는 과정은 쉽게 말해 원기둥을 차곡차곡 옆으로 쌓는 과정인데요. 원기둥과 원기둥 사이에는 빈 공간이 생길 수 밖에 없습니다. 그럼 배터리에서 발생하는 열은 자연스럽게 이 빈 공간으로 방출될 수 있습니다.

세 번째 장점은 표준화된 규격입니다. 원통형 배터리는 18650, 21700 등과 같이 국제적으로 표준화된 규격이 존재하는데요. 제조업에서 이렇게 표준화된 규격이 존재한다는 특성은 매우 큰 장점을 갖습니다. 왜냐하면 생산, 유지보수, 교체가 용이하며 다양한 제조사 간의 호환성을 높여주기 때문이죠. 그 결과 대량 생산에 유리해지며 생산 비용을 낮추고 가격 경쟁력을 확보하기 유리하게 해줍니다.

원통형 배터리의 단점

다음은 반대로 각형, 파우치형 배터리와 비교되는 원통형 배터리만의 대표적인 장점 세가지를 정리해보겠습니다.

첫 번째 단점은 공간 효율성의 제약입니다. 이는 장점으로 언급한 ‘열 관리의 효율성’과 트레이드 오프 관계를 갖는데요. 원통형 배터리의 구조적 특성상 조립된 원통형 배터리 팩에서는 빈 공간이 발생할 수 밖에 없는데요. 이는 열이 효율적으로 배출된다는 장점을 갖는 동시에, 빈 공간에는 활물질을 채울 수 없다는 단점이 됩니다. 즉 에너지 밀도를 극대화하기에는 불리한 구조라고 할 수 있습니다.

두 번째 단점은 복잡한 배터리 팩 설계 방법입니다. 원통형 배터리를 전기차 배터리로 제작하기 위해서는 수천개의 원통형 배터리를 모아 팩으로 구성해야 하는데요. 그 말은 수천개의 배터리가 물리적으로 연결되어야 한다는 것을 의미합니다. 이 과정은 필연적으로 복잡성과 비용을 증가시키게 됩니다. 뿐만 아니라 연결 부위에서 발생하는 저항과 열 손실까지 추가로 관리해야 합니다.

세 번째 단점은 무게 증가입니다. 이는 장점으로 언급한 높은 구조적 강도와 트레이드 오프 관계를 갖는데요. 금속 캔으로 쌓여 있어 구조적 강도가 높다는 장점이 있지만, 이는 동시에 무게를 증가시킨다는 단점을 갖습니다. 전기차 배터리에서 무게는 아주 중요한 인자인데요. 무게가 무거워질수록 연비가 떨어지기 때문입니다. 따라서 전기차용 배터리가 무겁다는건 그 자체만으로 성능이 안좋은 배터리라는 의미가 됩니다.

원통형 배터리 작명법

원통형 배터리는 각형, 파우치형과 달리 독특한 작명법이 있습니다. 앞서 언급한 적이 있는 18650, 21700등이 그것인데요. 원통형 배터리의 작명 원리를 이해하고 있으면 뉴스 등에서 새롭게 언급되는 배터리에 대해서도 쉽게 특성을 이해할 수 있습니다.

원통형 배터리의 이름은 배터리의 크기를 나타내는 숫자로 구성됩니다. 일반적으로 ABCDE의 다섯글자, 혹은 ABCD의 네 글자로 구성되는데요.

첫 두자리 숫자 AB는 원통형 배터리의 직경을 의미합니다. 즉 원통의 ‘지름’을 의미한다고 할 수 있습니다. 예를 들어 21700은 21mm의 지름을, 18650은 18mm의 지름을 갖습니다.

다음 세 자리 숫자 CDE 또는 CD는 원통형 배터리의 길이를 의미합니다. 예를 들어 21700의 길이는 70.0mm를, 18650의 길이는 65.0mm를 의미합니다.

최근 화제가 되고 있는 4680 배터리는 직경이 46mm, 길이가 80mm의 구조를 하고 있는데요. 기존 21700과 비교해봐도 직경은 두배가 넘게 커지고 길이는 10%가 넘게 길어진 형태를 갖습니다. 원통형 배터리의 직경과 길이가 커지면 그에 따라 더 많은 활물질을, 즉 에너지를 저장할 수 있게 되는데요. 따라서 이를 채택하는 전기차의 성능이 크게 향상될 것으로 기대하고 있습니다.

원통형 배터리를 채택하는 전기차 제조사들

원통형, 각형, 파우치형 배터리는 전기차 배터리로서 각자의 장단점을 갖고 있습니다. 따라서 전기차 제조사들은 각자의 상황에 따라 서로 다른 타입의 배터리를 채택하고 있는데요. 이번에는 원통형 배터리를 사용하는 전기차 제조사들을 정리해보겠습니다.

첫 번째로는 테슬라(Tesla)가 있습니다. 원통형 배터리를 채택하고 있는 가장 대표적인 전기차 메이커라고 할 수 있는데요. 테슬라는 초기부터 18650 배터리를 사용해왔습니다. 이후 21700으로 전환하여 현재까지 메인 배터리로 사용하고 있습니다. 테슬라의 21700은 주로 파나소닉과 협력하여 제조하는 것으로 알려져 있습니다. 이렇게 제작된 배터리는 모델3, 모델Y 등 주요 전기차 모델에 탑재되고 있습니다.

두 번째는 Rivian(리비안)입니다. 리비안은 미국의 전기차 스타트업으로, 전기 픽업 드럭인 R1T와 전기 SUV인 R1S 모델에서 원통형 배터리를 사용하고 있습니다. 리비안은 오프로드와 같은 가혹한 주행환경에서 특화된 전기차를 제작하고 있는데요. 이에 따라 구조적 강도 측면에서 유리한 원통형 배터리를 주로 채택하는 것으로 보입니다.

세 번째는 루시드 모터스 (Lucid Motors)입니다. 루시드 모터스는 고급 전기 세단인 루시드 에어에서 원통형 배터리를 사용하고 있습니다. 루시드 에어는 높은 주행거리와 성능을 자랑합니다.

마치며

원통형 배터리는 단순한 구조 이상으로, 전기차의 성능과 안전성을 좌우하는 중요한 요소입니다. 이 배터리의 독특한 장점과 표준화된 규격은 전기차 제조사들이 효율적이고 신뢰할 수 있는 에너지원으로 채택하게 만드는 큰 이유가 됩니다. 물론, 공간 효율성과 설계 복잡성 등의 단점도 존재하지만, 이러한 문제들은 지속적인 기술 발전과 혁신을 통해 개선되고 있습니다.

이번 글에서 살펴본 것처럼, 테슬라를 비롯한 여러 전기차 제조사들이 원통형 배터리를 선택한 이유는 명확합니다. 구조적 강도와 열 관리 효율성, 그리고 표준화된 생산 시스템은 전기차 배터리로서의 탁월한 성능을 보장합니다. 앞으로도 원통형 배터리는 전기차뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 할 것이며, 배터리 기술의 발전과 함께 그 가능성은 더욱 커질 것입니다.

전기차와 배터리 기술에 대한 관심이 계속 높아지는 가운데, 원통형 배터리가 미래의 에너지 솔루션에서 어떤 역할을 하게 될지 기대해봅니다. 이 글이 원통형 배터리에 대한 이해를 넓히는 데 도움이 되었기를 바랍니다.

참고자료

  1. https://inside.lgensol.com/2022/05/전지전능한-전지-이야기-배터리-all-rounder-원통형-배터리/
Series Navigation파우치형 배터리에 관한 모든 것 >>
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