‘전기차 심장’…‘셀’ 효율과 ‘모듈-팩’ 디자인이 성능 좌우

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- 배터리의 모든 것

전기공급하는 기본단위인 셀
모듈 단위로 모아 팩으로 완성

셀 성능이 충전 주행거리 결정
밀도 높이며 안정성 확보해야

최종 장착 모듈-팩 중요해져
무게-부피 줄이는 것이 관건

최근 전 세계 자동차 시장에서 가장 가파르게 성장하는 차종은 전기차다. 시장조사기관 SNE리서치에 따르면 전 세계 전기차 판매량은 올해 390만 대에서 오는 2025년엔 약 2억 대로 크게 성장할 것으로 예상된다. 자동차 시장에서 전기차가 차지하는 비율도 올해 2019년 4%에서 2025년 18.9%로 급증할 것으로 관측된다. 이처럼 최근 전기차 시대가 성큼 다가온 가운데 전기차의 주요 부품인 배터리 기술의 발전 속도도 갈수록 빨라지고 있다. 동력원인 배터리는 전기자동차의 가격에서 차지하는 비중이 30∼40%를 넘을 정도로 핵심 부품이다.

◇셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 이뤄진 배터리 = 전기차가 움직이려면 스마트폰의 수천 배에 달하는 많은 전기가 필요하므로 배터리가 수십 개에서 많게는 수천 개까지 필요하다. 배터리 구조를 설명하는 ‘삼성SDI 뉴스레터’에 따르면 일반적으로 전기차 배터리는 셀, 모듈, 팩으로 이뤄져 있다. 셀, 모듈, 팩은 배터리를 모으는 단위다. 통상 배터리라고 하면 배터리 단품 ‘셀’을 얘기한다.

수많은 배터리 셀을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 ‘모듈’ 단위로 모은다. 이 모듈들을 모아 하나의 ‘팩’이라는 형태를 거쳐 전기차에 최종 탑재된다. 전기차 BMW i3의 배터리를 예로 들어보면 이 차에는 배터리 셀이 총 96개 탑재된다. 셀 12개를 하나의 모듈로 묶고, 8개의 모듈을 또다시 묶어 하나의 팩 형태로 만드는 것이다.

하나씩 살펴보면, 먼저 배터리의 기본이 되는 셀은 자동차 내 제한된 공간에서 최대한 성능을 발현할 수 있도록 단위 부피당(또는 무게당) 높은 용량을 지녀야 한다. 일반 모바일 기기용 배터리에 비해 훨씬 긴 수명도 필수다. 또 주행 중에 전달되는 충격을 견디고, 저·고온에서도 끄떡없을 정도로 높은 신뢰성과 안정성을 지녀야 한다.

여러 개의 셀은 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 하나로 묶어 프레임에 넣게 되는데 이를 모듈이라고 부른다. 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리해 주는 배터리 관리시스템(BMS)과 냉각장치 등을 추가한 것이 배터리 팩이다. 이 같은 방식으로 전기차에는 배터리 셀 여러 개가 하나의 팩 형태로 들어가는 셈이다.

◇전기차 배터리 ‘모듈 - 팩’ 기술이 전기차 성능과 디자인 좌우 = 많은 소비자들이 전기차를 살 때 가장 많이 고려하는 요인을 ‘1회 충전 시 주행거리’라고 꼽는다. 이를 위해 배터리 제조사들은 같은 부피나 무게에 더 많은 에너지를 넣을 수 있도록 ‘고에너지밀도’ 배터리 셀을 개발하는 데 박차를 가하고 있다. 배터리 업계에서는 에너지 밀도를 더욱 높이면서 안정성도 확보하는 쪽으로 셀을 개발하는 것이 보편적인 양상이다.

배터리 셀의 지속적인 발전과 더불어 모듈과 팩 기술도 함께 향상되는 추세다. 삼성 SDI 관계자는 “업체들이 그동안 배터리 셀 성능에 좀 더 집중했다면, 이제는 모듈과 팩을 얼마나 더 효율적으로 설계하고 구성하느냐까지도 고민하고 있는 상황”이라고 설명했다. 전기차에 최종 탑재되는 형태는 팩이기 때문에, 팩의 사양이 전기차의 성능과 디자인을 결정짓기 때문이다.

배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 것은 기본이고, 모듈과 팩의 개발 경쟁도 치열해지고 있는 이유이기도 하다.

삼성SDI와 LG화학 등 국내 배터리 업체들은 전기차에 장착할 때 기존 대비 무게와 부피를 크게 줄일 수 있는 셀과 팩을 독자적인 기술로 개발해 완성차 업체들의 주목을 받고 있다.

삼성SDI의 경우 올 초 미국 디트로이트 모터쇼에서 혁신 소재를 적용하고 차별화된 디자인을 적용한 차세대 배터리 셀을 선보였다. 당시 삼성SDI는 ‘Auto 2.0 시대를 위한 충전 완료’라는 슬로건을 앞세워 전기차 시장을 주도할 배터리 기술을 공개했다. Auto 2.0은 자율주행, 전동화, 초연결성, 차량 공유화로 대변되는 시대로 지난 2017년 골드만삭스가 처음 쓴 용어다.

삼성SDI는 △600㎞까지 주행 가능 셀 △새로운 디자인 적용 셀 △소비자 수요를 반영한 전기차 배터리 모듈·팩 제품까지 관련 제품 풀 라인업을 선보이고 있다. 특히 에너지 밀도를 향상한 셀을 통해 더욱 적은 수의 셀로도 모듈과 팩을 만들 수 있는 솔루션을 고객사들에 제안하기도 했다.

권도경 기자 kwon@munhwa.com