리튬 이온 배터리 종류

배터리/지식_일반

리튬 이온 배터리 종류

Wrightbro 2025. 2. 25. 23:48

리튬 이온 배터리는 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하고 충전시에는 양극에서 음극으로 다시 이동하며 에너지를 저장거나 공급하게 된다. 가역적인 반응으로 충/방전을 계속해서 지속 할 수 있는 2차 전지이다.

흔히 일상생활에서 건전지라고 지칭하는 AA, AAA 사이즈의 배터리는 망간/알카라인 전지로 시장의 80% 이상을 차지하며 2차 전지와 다르게 한번 방전된 것은 다시 충전할 수가 없다.(저렴하고 안전해서 1950년대에 사이즈 규격이 정해진 이후 큰 변화없이 다양한 분야에 사용되고 있다.)

본 글에서는 리튬 이온 배터리의 원재료와 화학적인 반응에 대해 논하기보다 시스템적 관점에서 현재 사용하고 있는 리튬 이온 배터리의 차이에 대해 알아보도록 하겠다. Dimension 차이에 따른 Capacity/Energy 특성 뿐만 아니라 셀 특성에 따른 모듈/팩 설계 요소를 포함하고자 한다.

출처. Design, Properties, and Manufacturing of Cylindrical Li-Ion Battery Cells

리튬 이온 배터리의 종류는 그 형상에 따라 여러가지 명칭으로 불리며 각각의 특성은 아래와 같다.

1. 원통형(Cylindrical)

원통형 배터리는 표준화된 사이즈 규격으로 높은 생산성이 가능하며 그로 인해 가격이 저렴하고 널리 사용된다.

표준화된 '18650'과 21700'이 널리 쓰이고 Tesla Battery Day에서 공개된 46시리즈는 차세대 배터리로 주목받고 있다. 여기서 18650, 21700은 원통형 배터리의 이름이면서 Dimension 규격을 의미한다. 18650은 지름 18mm, 높이 65mm 사이즈이고 21700은 지름 21mm, 높이 70mm 이다. 46시리즈는 지름 46mm 규격의 사이즈로 4680과 4695와 같이 다양한 variant로 개발되고 있다.(18650과 21700 배터리는 마지막 숫자에 '0'을 더 붙이는데 이는 원통형 배터리를 지칭하는 표식으로 46시리즈에서는 이 표식이 사라졌다. 굳이 '0'을 안 붙이더라도 배터리 산업에 종사하는 사람이라면 다 알아보기 때문이지 않을까?)

원형 금속 캔 자체가 외부 압력과 충격을 균등하게 분산시키는 장점이 있을 뿐만 아니라 배터리 내부에서 발생하는 Swelling 압력이 균등하게 분산되므로 셀 내부의 전극 구조가 비교적 안정적으로 유지된다.

다만 원통형 배터리로 모듈/팩 구성 시 셀 사이 빈공간으로 인해 다른 형태의 배터리보다 팩 내부 공간 활용성이 떨어지기 때문에 팩 단위 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.

Type	Manufacturer	Model	Dimension(max)	Nominal Voltage	Nominal Capacity	Energy Density
18650	Panasonic	NCR18650B	W:18.5mm, H:65.3mm	3.6V	3350mAh	687Wh/L
	LG	INR 18650-HD2	W:18.5mm, H:65.2mm	3.65V	2000mAh	417Wh/L
	EVE	INR 18650-25P	W:18.45mm, H:65.15mm	3.6V	2500mAh	517Wh/L
	LG	INR 18650-MJ1	W:18.5mm, H:65.2mm	3.64V	3500mAh	727Wh/L
	Samsung SDI	INR 18650-35E	W:18.55mm, H:65.25mm	3.6V	3400mAh	694Wh/L
21700	LG	INR 21700-M50L	W:21.44mm, H:70.65mm	3.69V	4800mAh	695Wh/L
21700	Samsung SDI	INR 21700-50E	W:21.25mm, H:70.8mm	3.63V	4900mAh	709Wh/L
4680	Panasonic	Tesla Model Y(4680)	W:45.95mm, H:79.8mm	3.7V	22000mAh	626Wh/L

원통형 배터리는 표준화된 사이즈가 정해져 있어서 다양한 Application에 사용 중이다. 전자담배, 보조배터리, 청소기, 전기자전거 등 일상생활에서 흔히 사용된다.

1세대 18650부터 3세대 46시리즈까지 부피가 증가하면서 Capacity도 커졌지만 Energy Density는 크게 달라지지 않았다. 46시리즈는 게임체인저로 차세대 배터리라고 불리는데 Energy Density는 기존 21700 모델보다 낮은 626Wh/L로 확인되었다. 과연 무엇이 게임체인저이고 어떤 장점이 있어서 국내 배터리 3사가 신기술 전쟁을 벌이는지 궁금하다.

배터리 모델명은 양극활물질에 따라 아래와 같이 구분할 수 있다. 가장 널리 쓰이는 삼원계 양극제인 NCM을 지칭하는 INR 모델이 가장 많은 것을 알 수 있다. 대세는 삼원계 배터리이지만 Application의 Capacity, Power, Energy Density, Safety, Cost 특성에 기반하여 양극소재를 Maker에서 개발 중이다.

IMR: Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4).
ICR: Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2).
INR: Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide.
IFR: Lithium Iron Phosphate (LiFePO4).

소재에 대한 언급은 여기까지 하기로 하고 많은 전문가들이 기술한 내용을 참고하면 될 것 같다.

2. 파우치형(Pouch)

파우치형 배터리는 원통형 배터리와 다르게 표준화된 규격이 없어 높은 생산 원가로 인해 Cost가 높지만 그만큼 유연한 설계가 가능하다. 다양한 크기와 형태로 제작이 가능하기 때문에 주변에서 흔히 사용하는 스마트폰, 보조배터리, 스마트패드, 노트북과 같은 IT Application 뿐만 아니라 EV Appication에서 많이 사용된다. 금속 캔이 아닌 알루미늄 필름 소재의 파우치로 에너지를 저장하기 때문에 낮은 무게로 얇고 평평하게 만들 수 있어 에너지 밀도가 다른 배터리보다 높지만 이 파우치로 인해 내구성이 약하고 셀 Swelling에 따른 안전성 Risk를 갖고 있다.

시스템 관점에서 다른 배터리와 파우치형의 가장 큰 차이점은 배터리에 양극과 음극 리드가 붙어 있고 파우치로 인한 Swelling 발생 유무이다. 알루미늄과 니켈 플레이트로 구성된 리드는 단방향과 양방향으로 설계가 가능하며 서로 다른 셀과 연결 할 수 있다. 모듈/팩을 제작하기 위하여 셀을 스테킹하게 되는데 배터리가 충/방전 하면서 발생하는 가스로 인하여 Swelling이 발생하기 때문에 Cell Frame 형상이 중요한 모듈/팩 설계 요소라고 할 수 있겠다.

전 세계 스마트폰 시장 출하량 1위를 달리고 있는 애플은 중국 배터리 업체인 ATL로부터 배터리를 공급 받고 있다. 파우치형 배터리는 원통형 대비 700Wh/L 정도로 에너지 밀도가 높고 Nominal Voltage도 높은 것을 알 수 있는데 이는 배터리 Energy를 크게 가져가기 위한 설계 Factor이다.

IT application 뿐만 아니라 EV에서 파우치형을 많이 채택하고 있는데 에너지 밀도가 높아 긴 주행거리를 구현하기 위하여 자동차 OEM에서 많이 사용하고 있는 것이 현실이다.

Application	Manufacturer	Model	*Dimension(LWT)*	Nominal Voltage	Nominal Capacity	Energy Density
Smartphone	ATL	333996	95.76mm38.22mm3.28mm	3.85V	2185mAh	700Wh/L
Laptop	ATL	488568	67.8mm84.75mm4.85mm	3.9V	5000mAh	697Wh/L
EV	SK	E556	355mm100mm9.5mm	3.8V	55.6Ah	712Wh/L
EV	LG	E63B	310mm114mm9.5mm	3.75V	60Ah	598Wh/L
EV	Farasis	P79B3	295mm104mm13mm	3.7V	79Ah	829Wh/L

요즘 뉴스를 보면 기존에 파우치형을 많이 사용하는 자동차 OEM에서 각형 배터리를 개발한다는 소식을 접하고 있다. 배터리 개발에도 Trend가 있는 것으로 보이는데 각형 배터리에 대해 알아보자.

3. 각형(Prismatic)

각형 배터리는 파우치형과 마찬가지로 표준화된 규격 사이즈의 형태가 아닌 직육면체의 모양의 알루미늄 캔으로 둘러싸여 있으며 외부 충격에 강한 특성을 지녔다. 일반적으로 원통형 배터리에서 사용하는 Steel 재질을 사용하지 않고 알루미늄 소재를 사용하여 더 가볍고 에너지 밀도를 높였다. 또한 다른 배터리 type과 다르게 Case에 Vent Hole을 설계하여 Safety 이슈에 강점이 있다.(전기자동차 화재 건으로 인해 각형 배터리를 많이 선호하는 추세로 보인다.)

반면에 납작한 상자 모양의 캔으로 인하여 셀 내부 공간 활용 측면에서는 불리하다. 전극을 돌돌 말아 만든 젤리롤을 사각형 상자 모양의 캔에 넣는 과정에서 모서리 부분이 빈공간으로 남을 수밖에 없기 때문이다. 이러한 형상으로 인해 발열 관리가 어렵고 제조 비용이 높다는 단점이 있다.

25년 현재 국내 배터리 3사에서 모든 폼팩터에 대해 개발 중 또는 예정으로 각형 배터리의 선두 주자는 국내 기준으로 삼성 SDI라고 할 수 있다. CES2025를 앞두고 CES혁신상을 받은 'PRimX680-EV'는 하이니켈 NCA 양극재를 사용하여 680Wh/L의 높은 에너지 밀도를 구현한 전기차용 각형 배터리이다.

국내 기준으로는 삼성 SDI가 각형을 밀고 있지만 중국업체를 간과할 수 없다. CATL은 LFP 셀을 사용하여 CTP(Cell to Pack) 기술로 오래 전부터 각형 시장을 지배해왔다. 에너지 밀도가 낮은 LFP 셀을 모듈을 거치지 않고 바로 팩으로 만들어 시스템 레벨에서 에너지 밀도를 높였다. 근래에는 LFP 뿐만 아니라 NMC 삼원계 리튬 이온 배터리로 CTP 기술을 적용한 전기차용 팩을 내놓고 있다.

각형 배터리는 팩으로 구성 시 빈 공간이 없어서 공간 활용성이 높고 모듈/팩 구성을 위한 전기적 연결에 최적화가 되어 있어 전기차 및 ESS Application과 같은 중대형 장치에 많이 사용되고 있다.

근래 들어 국내 배터리 3사에서 자동차 OEM과 각형배터리를 공동 개발하기로 계획하고 있고 에너지 밀도도 파우치형과 동등 수준으로 개발된다면 앞으로 대세 배터리로 자리 매김할 것으로 생각된다.

Cathode	Manufacturer	Model	*Dimension(LHT)*	Nominal Voltage	Nominal Capacity	Energy Density
NCM	Samsung SDI	SDI94	173mm125mm45mm	3.68V	94Ah	355Wh/L
NCM	Samsung SDI	PRiMX680	xxxmmxxxmmxxmm	x.xxV	178Ah	680Wh/L
NCM	CATL	NCM27E892	148mm92mm27mm	3.65V	50Ah	496Wh/L
LFP	CATL	CB260	200mm207mm33mm	3.2V	150Ah	351Wh/L

4. Summary

앞서 알아본 리튬이온 배터리의 종류에 대해 아래 표와 같이 특성을 상대화하여 정리하였다. 에너지 밀도 및 전압과 용량은 기술 개발에 따라 점점 변화하고 있어 상대 비교가 어려웠으며 그외 비교 항목을 보면 각각의 배터리 종류에 따라 장/단점이 있고 이에 맞게 다양한 Application에서 사용 중인 것을 알 수 있다.

비교 항목	원통형	파우치형	각형
Application	IT, LEV, EV	IT, EV	ESS, EV
에저니 밀도(Wh/L)	400~700	600~830	350~680
표준전압(V)	3.6~3.7	IT : 3.8~3.9 EV : 3.7~3.8	3.2~3.7
용량(Ah)	2~22	2~79	50~178
표준화 및 생산성	★★★★★ (높음,규격화됨)	★★★☆☆ (중간)	★★☆☆☆ (낮음, 맞춤형 제작)
제조비용	★★★★★ (낮음, 가장 저렴)	★★★☆☆ (중간)	★★☆☆☆ (비쌈)
Swelling 가능성	★☆☆☆☆ (거의 없음)	★★★★☆ (높음)	★★☆☆☆ (보통)
내구성	★★★★☆ (매우강함)	★☆☆☆☆ (약함)	★★★☆☆ (강함)
팩 공간 효율성	★★☆☆☆ (낮음)	★★★☆☆ (높음)	★★★☆☆ (높음)

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