최근 방한한 조 바이든 미국 대통령이 한국과의 기술 동맹을 강조하면서 전기차를 대표적인 협력 분야로 내세웠어요. 전기차가 이제 차 산업의 '대세'로 자리 잡은 것 같죠?
가솔린 차량의 심장이 엔진이라면, 전기차의 심장은 배터리에요. 전기차 성장에 따라 배터리 시장의 급성장이 예상되는 이유기도 해요.
그래서인지 최근 몇 년간 배터리 관련 기사들이 쏟아지고 있는데요. 일반적으로 기사를 보면 배터리는 단순히 '배터리'로 통칭하는 경우가 많아요. 하지만 전기차에 들어가는 배터리는 셀·모듈·팩으로 구분할 수 있는데요. 사용처에 따라 단위별로 모양을 다양하게 바꾸는 것이죠. 배터리를 구성하고 있는 단위에 대해 삼성SDI의 설명을 참고해 알아봤어요.
알쏭달쏭 배터리 단위
배터리라고 하면 보통 배터리 단품 '셀'을 얘기해요. 셀은 양극·음극·분리막·전해액 등 배터리의 4대 요소가 들어있는 배터리의 가장 기본적인 단위를 말해요. 어렵다면 우리가 흔히 배터리 하면 가장 먼저 떠올리는 원기둥 형태의 건전지가 있죠. 이를 '셀'로 이해하면 돼요.
물론 원통형 모양만 있는 건 아니에요. 납작한 직육면체 형태의 각형이나 주머니와 비슷하게 생긴 파우치형 등도 있죠. ▷관련기사: '테슬라픽' 원통형부터 각형·파우치형까지, 배터리 삼형제는…(4월3일)
셀은 제한된 공간에서 최대한의 성능을 발휘할 수 있도록 단위 부피당(혹은 무게당) 높은 용량을 지녀야 해요. 이것을 부피당(무게당) 에너지밀도라고 해요. 전기차 배터리의 셀은 모바일 기기에 들어가는 것에 비해 훨씬 수명이 길고, 높은 신뢰성과 안정성을 지니고 있어요. 덕분에 주행 중에 전달되는 충격을 견디고, 저온·고온에서도 문제없이 작동하는 것이죠.
여러 개의 셀을 하나로 묶어놓은 것을 '모듈'이라고 해요. 하나의 셀만으로는 부족할 때 여러 개의 셀을 합쳐 모듈로 만드는 것인데요. 적게는 12개에서 많게는 48개 이상까지 셀을 모아 모듈을 만들어요.
모듈은 수많은 배터리 셀을 안전하고 효율적으로 관리하는 역할도 해요. 모듈은 셀이 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 강건한 프레임으로 이뤄져 있어요. 또 셀의 상태를 모니터링하는 BMS(배터리 관리시스템) 등의 부품도 붙어있는데요. 이를 통해 셀의 전류, 전압 등의 정보를 센싱(감지)해 배터리 셀을 효과적으로 관리하는 것이죠.
전기차에는 셀·모듈 모아 '팩'으로
전기차는 스마트폰과 같이 배터리를 원동력으로 삼지만, 전기차를 움직이려면 스마트폰의 수천 배에 달하는 전기가 필요해요. 보통의 스마트폰 배터리 용량인 5000mA(밀리암페어)를 환산하면 18.5Wh(와트) 정도인데요. 최근에 출시된 전기차(EV)인 BMW의 iX xDrive50의 용량은 111.5kWh(킬로와트시)입니다. 약 6000배 이상의 전기가 더 필요한 것이죠.
그래서 고용량·고출력이 필요한 전기차나 ESS(에너지저장장치)에는 보통 여러 배터리 셀이 들어있는 모듈로 '팩'을 만들어 사용해요. 배터리 제조사의 관점으로 보면 배터리 '셀'은 두 번의 변신을 거쳐 '팩'이 되고 이것이 자동차에 장착이 되는 거예요.
전기차 BMW iX xDrive50을 예로 들어볼게요. 이 차에 들어가는 셀은 총 500개고요. 셀 40개 또는 50개를 1개의 모듈로 만들고, 이러한 모듈 11개를 모아서 1개의 배터리 팩으로 만들어요. 바로 이 배터리 팩이 차량에 탑재되는 것이죠.
쉽게 말해 셀·모듈·팩은 배터리를 모으는 단위라고 생각하면 돼요. 셀과 모듈을 몇 개를 모으느냐는 고객의 제품 사양에 따라 달라져요. 고객이 필요한 형태에 따라 여러 맞춤형 조합으로 구성이 가능하다는 말이에요.
배터리 팩은 모듈과 마찬가지로 셀의 안정성을 유지해주는 역할도 해요. 팩에는 셀의 온도나 전압 등을 관리해주는 Master BMS뿐만 아니라 냉각장치 및 각종 제어 시스템 등이 장착돼요.
셀의 에너지밀도를 올리면 상대적으로 안정성이 취약해지기 때문에, 안정성을 유지하면서 에너지 밀도를 높이는 것이 배터리 업계의 현행 과제에요.
삼성SDI 측은 "전기차 산업이 성장하며 배터리 셀과 모듈, '팩 기술도 함께 향상되고 있다"며 "그동안은 셀 성능에 대해 좀 더 집중했다면, 이제는 모듈과 팩을 얼마나 더 효율적으로 설계하고 구성하느냐까지도 고민하는 상황"이라고 설명했어요.
이어 "전기차에 최종적으로 탑재되는 팩이 얼마나 효율성이 있는가에 따라 전기차의 성능 및 디자인이 바뀔 수 있기 때문에 셀의 에너지 밀도를 높이는 것은 기본이고 이제 모듈과 팩의 개발에도 관심이 높아지고 있다"고 부연했어요.
시장조사기관 SNE리서치에 따르면 전기차 시장 규모가 올해 974만대에서 오는 2025년 2172만대로 약 2.2배 성장함에 따라, 전기차에 사용되는 배터리 팩의 글로벌 시장 규모도 올해 750억 달러(약 94조)에서 2025년 1590억 달러(약 200조)로 약 2.1배 성장할 것으로 전망돼요.
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