[상식한입+] 전기차 배터리 구조 완전정복

[상식한입+] 전기차 배터리 구조 완전정복

전기차 배터리를 완벽 해부하는 1차시는 "전기차 배터리 구조"입니다. 전기차 배터리의 내부부터, 배터리가 어떻게 전기차에 탑재되는지 설명했습니다.

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전기차 열풍이 식을 줄 모르는 요즘, 전기차의 심장으로 불리는 "배터리"에 대한 관심도 뜨겁습니다. 배터리 업체부터 완성차 업체들도 너나 할 것 없이 전기차 배터리에 많은 투자를 이어가고 있는데요. 트렌디한 BYTEE라면 전기차 배터리에 대한 기본은 잘 알고 있어야겠죠?

이번 <상식한입+>부터 다음 주까지 총 3부에 걸쳐 전기차 배터리의 기본 개념을 소개할 예정입니다. 전기차 배터리 기본 개념을 잘 배워가셨으면 좋겠습니다!

전기차 배터리 구조 완전정복

② 전기차 배터리 3형제 : 원통, 파우치형, 각형

③ 소재에 따라 다른 전기차 배터리


전기차 배터리 구조 알아보기

전기차 배터리 = 이차전지

전기차 배터리를 우리는 이차전지라고 부릅니다. 이차전지는 스마트폰 배터리처럼 외부에서 전기를 충전해주면 재사용이 가능한 전지입니다. 참고로 건전지 같은 일회용 전지를 일차전지라고 부릅니다. 그리고 수소전지처럼 연료를 넣어주면 알아서 전기를 만들어 돌아가는 전지를 연료전지(3차전지)라고 부르죠. 현재 전기차 배터리로는 이차전지가 가장 많이 사용됩니다. 그리고 이차전지는 4대 핵심 소재로 구성되어 있죠.

양극재

배터리 안에서는 "리튬이온"이 전자를 가지고 이동하며 전류를 흐르게 하는데요. 양극재는 배터리 안에서 전류가 흐르게 하는 "리튬이온"을 만들어내는 역할을 합니다. 양극재는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄과 같은 금속 원소를 혼합해 만드는 게 일반적이죠. 양극재는 배터리의 용량과 출력을 결정합니다.

음극재

음극재는 양극재에서 나온 리튬이온을 전달받아 저장해뒀다가, 리튬이온을 방출하며 외부 회로로 전류를 흘려보내는 역할을 합니다. 실제로 전기차에 전류를 흘려보내는 기능을 하는 게 음극재이죠. 음극재는 주로 흑연을 소재로 만들어졌으나, 최근에는 실리콘을 사용한 음극재가 많은 주목을 받고 있습니다. 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명에 영향을 줍니다.

전해질 & 분리막

전해질은 양극재와 음극재 사이를 리튬이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 합니다. 전해질은 보통 액체 상태인데, 액체 상태의 전해질은 열에 약하다는 단점이 있습니다. 따라서 전해질을 액체에서 고체로 바꾸려는 연구가 활발히 진행되고 있는데요. 고체 전해질을 사용하는 배터리가 바로 전고체 배터리입니다.

분리막은 양극재와 음극재가 서로 섞이지 않도록 분리시키는 막입니다. 분리막은 리튬이온을 잘 통과시키도록 구멍이 나 있는데요. 그러나 배터리 온도가 높아지면 분리막의 구멍을 막아 화재를 방지하는 역할을 해야 합니다. 또한 분리막은 얇으면서도 튼튼해야 성능이 좋습니다.

ⓒ 한국전기연구원

배터리는 어떻게 전기차에 탑재될까?

앞서 설명한 배터리 1개를 우리는 셀(cell)이라는 단위로 부릅니다. 셀은 배터리를 구성하는 최소 단위입니다. 전기차를 움직이려면 엄청나게 많은 전력이 필요하기 때문에, 배터리 1개로는 전기차를 움직일 수 없습니다. 그래서 배터리를 여러개 합치는데요. 배터리(셀)를 12~48개 모아서 하나의 틀 안에 넣은 것을 모듈(module)이라고 부릅니다.

모듈은 각 배터리(셀)을 모아서 안정적으로 배치해두는 껍데기(프레임)라고 생각하시면 됩니다.  배터리를 여러 개 모아 가지런히 포장한 것이죠. 배터리의 내부는 열과 외부 충격에 취약하기 때문에, 모듈을 잘 설계해서 내구도를 높이는 게 가장 중요한 과제입니다.

이렇게 만들어진 모듈들을 또 모아서 포장한 것이 팩(pack)입니다. 팩에는 보통 8~40개의 모듈이 들어가며, 전기차 1대에는 팩 1개가 탑재됩니다. 팩에는 BMS(Battery Management System)라고 불리는 배터리 관리 시스템이 있어, 팩 내부에 온도나 전압, 출력을 안전하게 관리할 수 있습니다. 팩을 어떻게 설계하느냐에 따라 전기차의 안전성은 물론, 동일한 배터리 셀을 가지고 더욱 좋은 성능을 낼 수 있습니다.

셀 - 모듈 - 패키지

최신 이슈 : 이제는 모듈이 없는게 트렌드?

테슬라는 가장 최신 모델인 테슬라 모델3에서 모듈의 개수를 4개로 줄였습니다. 테슬라는 앞으로 모듈을 아예 없애고 셀을 직접 팩에 넣는 셀투팩(Cell To Pack)을 적용하겠다고 밝혔는데요. 이렇듯 전기차 배터리 업계는 모듈을 줄이는 모듈리스(Module-less) 기술에 많은 관심을 갖고 있습니다. 모듈을 줄이면 모듈 껍데기가 차지하는 부피를 줄이고 모듈 간 연결 부품도 필요가 없어지며, 그 자리를 더 많은 배터리로 채울 수 있어 에너지 효율이 좋아지기 때문입니다.

그러나 아직까지 완전한 "제로모듈"은 불가능하다는게 업계의 설명입니다. 모듈이 없으면 그만큼 안정성이 떨어져 내구성이 부족해지며, 모듈 없이 모든 배터리 셀을 연결해 BMS로 관리하는 것은 기술적으로 어려운 작업이기 때문이죠. 그럼에도 배터리의 에너지 효율을 높여야 하는 배터리 업계는 모듈을 없애는 방향으로 발전해가고 있습니다.

CATL의 셀투팩 설명도 ⓒ CATL

전기차 배터리, 핵심만 콕콕

  • 전기차 배터리는 충전이 가능한 이차전지입니다.
  • 전기차 배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막이라는 4대 구성요소로 이루어져 있습니다.
  • 전기차 배터리는 셀-모듈-팩 단위로 포장되어 전기차에 탑재됩니다.
  • 최근에는 모듈을 줄이고 셀을 직접 팩에 탑재하는 모듈리스 방식에 대해 많은 연구가 이루어지고 있습니다.

오늘의 <상식 한 입+>는 어떠셨나요?
좋았던 점, 부족했던 점, 개선되었으면 하는 점 등을 자유롭게 말씀해주세요!


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