배터리 구조 설계의 진화, 각형의 한계를 넘어서

배터리 구조 설계의 중요성이 빠르게 커지고 있다. 전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS)는 더 많은 에너지를 더 작은 공간에 담아야 한다. 동시에 강화되는 안전 기준도 충족해야 한다. 셀 단위의 성능만으로는 한계가 있다. 셀을 어떻게 배치하고, 팩을 어떻게 구성하느냐가 배터리 기술 경쟁력을 좌우한다.

시장 흐름도 이를 보여준다. 글로벌 컨설팅 기관 PwC는 전기차와 대형 저장 시스템의 구조적 안전성과 열 관리의 중요성이 더욱 커지고 있다고 분석했다. 안전 기준이 높아지면서 팩에 들어갈 내부 부품은 늘어났다. 이는 모듈 부품을 최소화하는 시도로 이어지면서, 셀의 구조적 안전성에 대한 요구도 함께 커지고 있다.

이 같은 변화는 시장 선택에서도 볼 수 있다. 배터리 컨설팅 업체 아다마스 인텔리전스(Adamas Intelligence)에 따르면, 2024년 전기차 배터리 시장에서 각형 배터리(Prismatic Battery)는 전체 탑재 용량의 69%를 차지했다. 2020년 42% 대비 크게 증가한 수치다. 단단한 케이스 구조가 모듈을 생략한 셀투팩(Cell to Pack, CTP) 설계에 유리하게 작용한 결과로 해석된다. 그러나 기존 각형 배터리만으로는 모든 요구를 충족하기 어렵다. 규격이 정해져 있어 설계 유연성에 제약이 있기 때문이다. 이러한 흐름 속에서 SK온은 새로운 접근을 제시했다. 파우치형과 각형의 장점을 결합해 기존 각형 대비 안전성과 설계 유연성을 개선한 ‘파우치 통합 각형 셀(Pouch-integrated Prismatic Cell)’이다.

파우치형과 각형 결합을 통해 높인 안전성

배터리에서 가장 중요한 요소는 안전성이다. ‘파우치 통합 각형 셀’은 파우치형과 각형의 장점을 결합해 이를 강화했다. 여러 개의 미드니켈 파우치 셀을 쌓고, 이를 각형 알루미늄 케이스로 감싸 더욱 단단한 구조를 만들었다. 이 케이스가 셀을 지지하는 역할을 하며, 외부 충격이나 진동이 가해져도 배터리 형태를 안정적으로 유지한다.

열폭주 안전성도 높였다. 알루미늄 케이스 덕분에 셀을 하부 냉각판과 열전달 접착제(Thermal Adhesive, TA)로 붙여 직접 접촉시킴으로써 배터리 충∙방전 시 발생하는 열을 빠르게 외부로 배출한다. 파우치 통합 각형 셀의 넓은 면 사이사이에도 냉각 플레이트를 배치하는 대면적 냉각으로 추가적인 냉각도 가능하다. 또, 열전도율과 열용량이 높은 알루미늄 소재 특성 덕분에 케이스 자체가 열을 빠르게 퍼뜨리고 흡수하여 열확산(Thermal Propagation, TP)을 제어한다.

구조적으로도 배출 방향 제어(Directional Venting)를 적용해 셀 내부에서 고온∙고압 가스 발생 시 이를 원하는 방향으로 배출할 수 있게 했다. 즉, 가스 배출구(Vent)를 일방향으로 배치하여 인접 셀로 가스가 확산되는 것을 최소화한다. 이 외에도 다양한 안전장치가 적용됐다. 셀 사이마다 면압 패드를 부착해 스웰링(Swelling)*을 억제했다. 또 셀과 셀 간을 고정∙연결하는 버스바(Busbar)를 케이스 외부로 노출시켰다. 이를 통해 셀의 상태를 진단할 수 있는 센싱 PCB(Printed Circuit Board)와 직접 연결이 가능해져 셀 성능 열화도 사전에 감지할 수 있다.

^{*스웰링(Swelling): 충·방전 과정에서 발생할 수 있는 내부 압력이나 가스로 인해 셀이 팽창하는 현상}

유연하고 확장된 설계

파우치 통합 각형 셀의 또 다른 특징은 설계 유연성이다. 알루미늄 케이스 내부에서 셀의 전기적 연결 방식과 외부 팩에 연결하는 탭 방향을 비교적 자유롭게 구성할 수 있다. 예를 들어 1P4S(병렬 1개, 직렬 4개), 2P2S(병렬 2개, 직렬 2개) 등 전압이나 용량에 맞춰 셀 연결 구성을 조정할 수 있다. 같은 1P4S 구조에서도 셀의 양극과 음극 단자를 케이스 상부에 배치하는 ‘톱 탭(Top-tab)’과 측면에 배치하는 ‘사이드 탭(Side-tab)’을 모두 구현할 수 있다. 이러한 설계 유연성은 고객 요구에 맞는 배터리 구성을 가능하게 한다. 전기차뿐 아니라 ESS 랙과 ESS 캐비닛 등 다양한 형태에도 대응할 수 있다. 또 알루미늄 케이스 내부에 파우치 셀을 적층하는 구조로, 셀 크기 조정이 용이하다. 이를 통해 일반 각형 셀 대비 팩 내부 공간 활용도를 높일 수 있으며, 약 6.1% 수준의 개선 효과를 보인다.

원가 경쟁력까지 갖춰

파우치 통합 각형 셀의 핵심은 셀투팩 설계에 유리하다는 점이다. 각형 알루미늄 케이스가 구조적 강성을 갖췄기 때문이다. 그 결과 팩 내부 부품 수가 줄고, 팩 내부 배열도 단순해져 원가 경쟁력을 높였다. 또 내부 탭을 일방향으로 정렬해 외부 버스바 연결을 단순화할 수 있어 팩 단위의 전기적 연결 부품 수를 최소화한다. 생산 측면에서도 장점이 있다. 기존 파우치형 배터리 셀 제조 라인을 활용할 수 있어 추가 설비 투자를 최소화하면서도 각형 수준의 조립 효율성을 확보했다. 이와 같은 제품 원가 절감과 신규 설비 투자 최소화를 통해, 장기적으로는 전체 운영 비용(Total Cost of Ownership, TCO)을 개선할 수 있다.

확장된 구조 설계가 만든 새로운 배터리 해법

‘파우치 통합 각형 셀’은 파우치형의 설계 유연성과 각형의 구조적 장점을 결합한 셀이다. 단순한 형태의 절충을 넘어 셀에서 구현 가능한 최상의 성능을 확보하면서, 팩에서의 기계적 성능과 안전성을 동시에 개선한 것이 특징이다. 현재 SK온의 ‘파우치 통합 각형 셀’은 최종 성능 검증을 위한 시제품 단계에 있으며, 상용화를 위한 개발을 이어갈 예정이다.

전기차와 ESS 시장이 고도화될수록, 다양한 요구 조건을 동시에 만족시키는 배터리 구조의 중요성은 더욱 커지고 있다. SK온은 △7분 급속충전 △각형 온 벤트 셀에 이어 △파우치 통합 각형 셀까지 배터리 성능과 설계 기술을 아우르는 기술 로드맵을 확장하며, 차세대 배터리 기술의 방향성을 제시하고 있다.

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