2차 전지의 구성
전기 자동차와 ESS와 같은 대형 시스템은 배터리 셀 한개의 출력만으로는 필요한 전력을 유지할 수 없다. 때문에 여러개의 셀을 결합하여 하나의 배터리 시스템을 구성하여 사용한다.
배터리 셀(Cell)은 2차 전지의 가장 기본 단위로, 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다. 배터리 모듈(Module)은 전지의 출력을 높이고, 외부의 충격이나 진동으로 보호하기 위해 일정한 개수의 배터리 셀들을 결합하여 하나의 프레임(Frame)에 넣은 조립체이다. 그리고 배터리 팩(Pack)은 여러개의 배터리 모듈들을 연결하고 열 관리 및 전기적 제어 시스템인 BMS(Battery Mangement System)을 추가한 최종적인 형태이다.
정리하면, 배터리 셀이 모여 배터리 모듈이 되고 배터리 모듈이 되어 배터리 팩이 되는 구조이다. (Cell<Module<Pack)
2차 전지의 타입(Type)
(1) 각형 배터리
각형 배터리는 영극재, 음극재, 전해액, 분리막으로 이루어진 배터리 셀을 사각형의 알루미늄 케이스에 넣은 배터리로 삼성SDI에서 주로 사용하고 있는 배터리 타입이다.
각형 배터리는 알루미늄 사각 케이스로 외관을 보호하고 있는 만큼 구조적 안정성이 뛰어나고 모듈이나 팩의 조립이 간편한다. 또한, 파우치 형에 비해 공정 단계가 간소하여 대량 생산 시 비용 절감 측면에서 유리하다. 하지만 금속 케이스로 이루어져 있는 만큼 무게가 무겁고 열 방출이 어려워 별도의 열 관리 시스템이 필요하다.
기존의 각형 배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막을 둘둘 말아 사각 케이스 안에 넣는 와인딩(Winding) 공법을 사용했기 때문에, 둥근 형상으로 인해 사각 케이스 끝 부분에 생기는 빈공간으로 인해 에너지 밀도가 적다는 단점이 있었다. 하지만, 최근에는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막으로 이루어진 별개의 셀을 적층하는 스태킹(Stacking) 공법을 사용하여 에너지 밀도가 향상 되었다.
(2) 파우치형 배터리
파우치형 배터리는 배터리 소재들을 층층히 적층하고 이를 패키징한 형태의 배터리로 LG화학과 SK이노베이션에서 주로 사용하는 배터리 타입이다.
파우치형 배터리는 소재를 원하는 만큼 적층하여 제작하는 만큼 설계 시 자유도가 높아 다양한 형상으로 만들 수 있다. 때문에, 여러 자동차 업체들이 요구하는 다양한 차량 디자인에 맞게끔 제작이 가능하다. 그리고 파우치형 배터리는 얇은 알루미늄 파우치로 패키징 하기 때문에 무게가 가볍고 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 또한, 열 관리 측면에서도 각형 배터리 보다 유리하다. 하지만, 각형 배터리에 비해 공정이 다소 복잡하여 생산 단가가 높고 생산성이 떨어진다는 단점이 있다.
(3) 원통형 배터리
원통형 배터리는 가장 전통적이고 널리 알려져있는 형태의 배터리로 일본의 파나소닉에서 주로 사용하는 배터리이고, 대표적인 전기 자동차인 테슬라에 적용되는 배터리이다.
원통형 배터리는 형상이 단순한 만큼 각형과 파우치형과는 다르게 표준화가 되어있다. 그 예로 테슬라의 모델S에 적용되는 배터리의 이름인 NCA 18650은 니켈-코발트-알루미늄을 사용한 직경 18mm 길이 65mm를 뜻한다.
원통형 배터리는 그 기술이 이미 충분히 성숙된 만큼 낮은 생산단가로 대량 생산이 가능하기 때문에, 가장 저렴하고 수급이 안정적인 배터리이다. 하지만 와인딩 공법을 적용하는 젤리롤(Jelly Roll) 타입의 셀을 사용하기 때문에 비교적 낮은 에너지 밀도를 가진다.