전력 배터리는 신에너지 자동차(EV)의 에너지원으로 사용됩니다. 전력 배터리 시스템은 일반적으로 배터리 팩, 모듈, 셀의 세 가지 구성 요소로 나뉩니다.

1. 배터리 팩

배터리 팩은 일반적으로 배터리 모듈, 열 관리 시스템, 배터리 관리 시스템(BMS), 전기 시스템 및 구조 부품으로 구성됩니다.

배터리 모듈은 리튬 이온 셀을 직렬 및 병렬로 결합하고 각 셀을 모니터링하고 관리하는 장치를 추가하여 만들어지는 셀과 팩 사이의 중간 제품으로 이해할 수 있습니다. 모듈의 구조는 셀을 지지하고 고정하며 보호해야 합니다.

기본 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 모듈 컨트롤러: 흔히 BMS 슬레이브 보드라고도 합니다.
• 배터리 셀
• 전도성 커넥터
• 플라스틱 프레임
• 콜드 플레이트 및 냉각 파이프
• 엔드 플레이트 및 고정 장치: 양쪽 끝의 엔드 플레이트는 개별 셀을 모아 일정한 압력을 제공합니다. 또한 모듈을 배터리 팩에 고정하도록 설계되는 경우가 많습니다.

모듈 설계의 목적은 BMS(배터리 관리 시스템)를 통한 셀 관리를 용이하게 하고, 배터리 안전성을 향상시키며, 유지 보수 및 수리를 간편하게 하는 것입니다. 이는 마치 국가를 여러 성으로 나누어 통치를 용이하게 하는 것과 유사합니다.

3. 세포
전지는 주로 양극(캐소드), 음극(애노드), 분리막 및 전해질로 구성됩니다. 전지의 주요 작동 원리는 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 이동하여 충전 및 방전을 일으키는 것입니다.

• 충전 과정: 배터리에 전기 에너지를 저장하기 위해 외부 에너지(전력망 전기)가 필요합니다.
• 방전 과정: 저장된 에너지가 자연적으로 방출됩니다.

리튬 이온 전기차 배터리는 소재 시스템에 따라 리튬 망간 산화물(LMO), 삼원계 소재(NCM/NCA), 리튬 철 인산염(LFP)의 세 가지 주요 범주로 분류됩니다.

안전성, 안정성 및 저온 성능 또한 리튬 이온 배터리 성능의 종합적인 평가에 있어 중요한 지표입니다.

• 리튬 망간 산화물(LMO)

LMO는 고온 성능, 사이클 안정성 및 보관 특성이 좋지 않습니다. 망간은 고온에서 용해/분리되는 경향이 있어 배터리 팩 수명 단축 및 보관 수명 저하의 원인이 됩니다.

• 삼원계 소재 리튬 이온 배터리(NCM/NCA)

삼원계 배터리는 고온/저온 환경, 충방전 주기, 안전성, 저장 용량 및 다양한 전기적 특성에서 균형 잡힌 성능을 제공합니다. 높은 부피당 에너지 밀도, 적당한 재료 비용, 그리고 안정적인 성능이 특징입니다. 니켈, 코발트, 망간의 비율에 따라 NCM532 및 NCM811과 같은 삼원계 전지 시스템이 존재합니다. 특히 NCM811 시스템은 최근 몇 년 동안 상당한 주목을 받고 있습니다. 니켈 함량이 높을수록 배터리의 에너지 밀도는 증가하지만, 반대로 전력 배터리의 안정성은 떨어집니다. 따라서 전력 배터리 설계는 실용성과 안전성 사이의 균형을 끊임없이 맞춰야 하는 작업입니다.

• 리튬인산철(LFP)

리튬 배터리의 양극은 알루미늄 호일(전류 집전체)에 양극 활성 물질(예: LFP 또는 NCM)을 코팅하여 만들고, 음극은 구리 호일(전류 집전체)에 음극 활성 물질(예: 흑연 또는 LTO)을 코팅하여 만듭니다.

일반적으로 배터리는 양극재의 이름을 따서 명명되기 때문에 삼원계 배터리 또는 리튬인산철 배터리라고 흔히 불립니다. 그러나 리튬티타늄산염(LTO) 배터리는 예외적으로 LTO가 음극재로 사용되기 때문에 음극재의 이름을 딴 특이한 배터리입니다.

해외 문헌을 검토하다 보면 양극 재료를 '캐소드(Cathode)', 음극 재료를 '애노드(Anode)'라고 부르는 경우가 흔히 있습니다. 처음에는 다소 혼란스러울 수 있는데, 표준 전기화학에서는 환원이 일어나는 전극을 캐소드, 산화가 일어나는 전극을 애노드로 정의하기 때문입니다. 즉, 배터리가 충전 모드와 방전 모드를 전환할 때 명칭이 바뀌는 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 시간이 지나면서 이러한 정의는 외부 에너지의 영향을 받지 않은 배터리의 상태를 기준으로 한다는 점이 분명해집니다. 따라서 배터리의 캐소드와 애노드는 방전 중 일어나는 반응 상태에 따라 결정됩니다.

배터리 성능 저하 분석
배터리 성능 저하는 성능 저하와 안전성 저하라는 두 가지 주요 측면에서 분석할 수 있습니다.

1) 성능 저하: 일정 기간 사용 후 전기차는 주행 가능 거리가 줄어들고 가속 성능 저하가 나타날 수 있습니다. 이는 주로 용량 감소, 내부 저항(IR) 증가, 자가 방전율 상승 등을 통해 분석할 수 있습니다.

2) 안전성 저하: 안전성 저하는 상대적으로 감지하기가 더 어렵습니다. 배터리가 이미 물리적/기계적 변형을 겪었을 수 있고, 내부 단락(ISC) 발생 가능성이 높아졌거나 전해액 누출 위험이 있을 수 있습니다. 따라서 배터리 열화 과정을 완전히 이해하기 위해서는 용량 감소를 유발하는 요인, 내부 저항 증가를 초래하는 요인, 배터리 변형 발생 기전, 그리고 내부 단락을 유발하는 메커니즘 등을 조사해야 합니다.

비교 안전성 및 시장 동향
안전성 측면에서 리튬망간산화물(LMO) 배터리는 삼원계 배터리보다 훨씬 우수한 성능을 보입니다. 예를 들어, 일부 국내 제조업체는 현재 신정(Xinzheng)사의 개량형 LMO(LMA-30)를 사용하여 90Ah 용량의 단일 전지를 생산하고 있으며, 이 제품들은 모두 201 연구소의 모든 안전성 시험을 통과했습니다. 반면, 삼원계 소재의 경우 국내에서 생산되는 20Ah 용량의 단일 전지조차도 못 관통 시험조차 통과하기 어려운 경우가 있습니다. 이러한 차이는 근본적으로 소재의 구조적 안정성에서 비롯됩니다. LMO의 결정 구조는 삼원계 소재보다 본질적으로 더 안정적입니다.

또한, LMO 소재는 개발 기간이 더 길고 기술적 성숙도가 훨씬 높습니다. 앞서 언급한 LMA-30은 알루미늄(Al) 도핑/개질을 통해 LMO의 성능을 향상시켰으며, 이와 유사한 개질된 삼원계 소재가 향후 출시될 가능성도 배제할 수 없습니다. 더불어, 전해질 호환성 문제로 인해 삼원계 소재는 LMO에 비해 가스 발생(가스화)에 더 취약하며, 이는 삼원계 배터리의 안전성이 LMO에 비해 떨어지는 또 다른 이유입니다.

하지만 삼원계 소재의 에너지 밀도는 LMO보다 훨씬 높습니다. 따라서 현재 일본과 한국에서 출시되는 가장 성숙한 전기차 배터리 제품들은 주로 LMO에 일정 비율의 삼원계 소재를 혼합하여 사용하고 있습니다. 이러한 접근 방식은 안전성을 확보하는 동시에 에너지 밀도를 높여주므로, 향후 전기차 배터리 개발의 핵심 트렌드가 될 것입니다.

세포 구조

세포는 구조적 특징에 따라 원통형, 주머니형, 각기둥형의 세 가지 유형으로 분류됩니다.

1. 각형 전지: 제조 편의성과 공간 효율성 덕분에 각형 전지는 현재 중국에서 전기차에 널리 사용되고 있습니다.
2. 원통형 배터리: 고도로 표준화되어 있습니다. 일반적인 모델로는 14650, 14500, 18650, 21700 등이 있습니다. 앞의 두 자리는 직경(mm)을, 세 번째와 네 번째 자리는 높이(mm)를 나타내며, "0"은 원통형을 의미합니다. 테슬라는 현재 18650과 21700 배터리 셀을 사용하고 있으며, 더 큰 4680 배터리 셀이 점차 대량 생산되고 있습니다. 일반적인 구성 요소로는 양극/음극판, 분리막, 전해액, 케이스, 캡(양극 단자), 개스킷, 안전 밸브 등이 있습니다.
3. 파우치형 셀: 알루미늄-플라스틱 필름으로 포장되어 높은 설계 유연성을 제공합니다.

4. 배터리 관리 시스템(BMS)
배터리 관리 시스템 리튬 이온 배터리용 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 성능과 안전을 관리하도록 설계된 제어 및 모니터링 시스템입니다. 전압, 전류, 온도, 충전 상태(SOC)와 같은 주요 매개변수를 수집하고 계산하여 충전 및 방전 과정을 조절하고, 비정상적인 작동 조건으로부터 배터리를 보호하며, 결과적으로 배터리 성능과 수명을 향상시킵니다. BMS는 차량에 탑재된 구동 배터리와 전기 자동차 간의 중요한 통신 및 제어 연결 고리 역할을 합니다.

BMS의 세 가지 주요 기능:

1. 배터리 잔량(SOC) 예측: 남은 전력을 측정하여 운전자에게 정확한 주행 가능 거리 정보와 충전 알림을 제공합니다.
2. 열 관리: 작동 온도를 모니터링하고 냉각 시스템(팬 또는 냉각판)을 작동시켜 배터리를 최적의 온도 범위 내에 유지합니다.
3. 배터리 밸런싱: 제조 공차 또는 불균일한 열 방출로 인해 발생하는 전압 및 용량 편차를 보정하여 개별 셀의 과충전을 방지합니다.

BMS 개발 중 위험 분석을 통해 과전압(과충전), 저전압, 과열, 과전류와 같은 위험 요소를 파악합니다. 특히 장기간 과충전은 돌이킬 수 없는 손상, 변형 또는 누전을 유발하는 심각한 문제입니다. 따라서 안전 메커니즘은 과충전을 즉시 감지하고 단일 지점 고장이나 잠재적 고장을 완화해야 합니다.

5. 배터리 개발 동향

5.1 코발트 무함유 배터리
리튬 삼원계 배터리는 층상 구조를 안정화하고 수명을 연장하기 위해 코발트를 필요로 합니다. 그러나 코발트 가격은 변동성이 매우 크고, 전 세계 공급량의 절반 이상이 콩고민주공화국(DRC)에 집중되어 있어 지정학적 및 팬데믹 관련 차질에 공급망이 매우 취약합니다. 코발트 사용을 제거하거나 줄이면 차량 비용을 절감하고 공급망 위험을 완화할 수 있습니다.

• 장점: 고체 전해질은 넓은 전기화학적 안정성 범위를 가지므로 고전압 양극 소재와 고용량 리튬 금속 음극을 사용할 수 있어 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 높은 기계적 강도로 리튬 덴드라이트의 침투를 효과적으로 차단하여 단락을 방지합니다.
• 현재 당면 과제: 전극과 전해질 사이의 고체-고체 계면 임피던스가 매우 높다.

5.3 블레이드 배터리
BYD가 선보인 블레이드 배터리는 길고 얇은 셀(길이 960mm, 두께 13.5mm, 높이 90mm)을 칼날처럼 디자인했으며, 기존의 권선 방식 대신 내부 적층 방식을 채택했습니다. 두 겹의 알루미늄 판 사이에 구조용 접착제를 사용하여 셀을 고정함으로써 셀 자체가 구조 부재 역할을 합니다. 이러한 설계는 벌집형 알루미늄 패널을 모방하여 모듈을 완전히 없애 무게와 비용을 줄이고 공간 활용도를 극대화합니다.

• 과제: 공정 자체가 복잡합니다. 슬리팅 과정에서의 높은 불량률, 모서리/버(burr)의 일관성 유지의 어려움, 그리고 정밀한 정렬 요구 사항으로 인해 제조에 상당한 난관이 존재합니다. 이것이 바로 적층형 배터리가 기존의 권선형 배터리를 완전히 대체하여 시장을 보편화하지 못한 주요 이유입니다.

• 경로 1: 모듈이 전혀 없는 방식(예: BYD 블레이드 배터리).
• 경로 2: 소형 모듈을 대형 모듈로 통합(예: CATL CTP).

CTC(Cell to Chassis): CTP를 뛰어넘는 차세대 기술입니다. 배터리 셀을 차량 섀시에 직접 통합하여 배터리 커버와 차량 바닥을 매끄럽게 연결합니다. 시트를 배터리 팩 위에 직접 장착할 수도 있습니다. CTC는 기존의 배터리 팩 경계를 허물어 셀, 섀시, 모터, 전자 제어 장치 및 DC/DC 컨버터 시스템을 심층적으로 통합함으로써 공간 활용도를 최적화하고 에너지 소비를 줄이며 전기차 생산 비용을 내연기관 차량과 직접적으로 경쟁할 수 있도록 합니다.

에이시 뉴 에너지 턴키 방식의 제조 설비 및 원스톱 엔지니어링 솔루션을 제공합니다. 리튬 이온 배터리 팩 조립 라인 세포에서 포장에 이르기까지 전체 공정을 포괄합니다.

당사는 초기 공장 계획부터 최종 생산에 이르기까지 고객을 지원하며, 라인 레이아웃 최적화, 장비 통합을 포함한 포괄적인 서비스를 제공합니다. 모듈 스태킹 정밀 레이저 용접, BMS 통합 및 최종 팩 성능 테스트가 포함됩니다.

당사의 시스템은 구조적 실용성, 운영 안정성 및 유지보수의 용이성을 최우선으로 고려합니다. 유연한 모듈식 구성을 갖춘 표준화된 장비를 활용하여 제조업체가 설치 소요 시간을 최소화하고 생산 위험을 완화하며 셀에서 포장까지의 일관성을 크게 향상시킬 수 있도록 지원합니다.

ACEY는 전 세계 파트너들을 환영하며 배터리 팩 제조 프로젝트에서 신뢰할 수 있는 장기적인 협력 관계를 구축하기를 기대합니다.