배터리는 전기차 동력을 좌우하는 핵심 부품이다. 전기차 2차전지는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성된다. 외부 충격으로부터 보호하기 위해 배터리셀 여러 개의 프레임에 넣어 모듈로 만든다. 이 모듈에 배터리 관리 시스템(BMS)과 냉각장치를 추가하면 팩이 된다. 배터리를 얼마나 효율적으로 구성하는가에 따라 전기차 디자인도 달라질 수 있다. 배터리 개발 경쟁에 자동차 기업들이 적극 나서는 이유다.
삼성SDI는 지난 2018년 확장형 모듈과 MMF 팩(Multi-Functional Module Pack)을 출시했다. 확장형 모듈로 기존 최고 3kWh 용량에서 최고 8kWh까지 에너지 용량을 확대했다. 통상 전기차 주행거리가 48km까지 가능한 전력량이다. MMF 팩을 통해서는 원하는 용량만큼 모듈 수를 조절할 수 있다. 이처럼 배터리는 계속해서 진화하고 있다.
2차전지 형태에 따라 대표적으로 원통형과 (소프트)팩형 두 가지로 나뉜다. 일반적으로 다섯 자리 숫자가 배터리의 제품명이 된다. 앞 두 자리는 지름, 다음 두 자리는 길이를 표시하고, 마지막 자리의 0은 해당 제품이 원통형이라는 것을 의미한다. 예를 들어 대표적으로 많이 쓰인 18650 배터리는 지름이 18mm, 길이는 65mm인 원통형 배터리이다.
원통형 배터리는 1960년대 개발돼 수 많은 제품에서 안전성을 입증 받은게 가장 큰 특징이다. 가벼운데다 작동 불량도 적고 대량 생산에 강점이 있다. 반면 에너지 밀도가 상대적으로 작다. 그 때문에 많은 개수의 배터리 셀을 모아야 하고, 추가적인 배터리 관리 체계가 필요하다. 소프트 팩 배터리는 얇게 생산이 가능해 스마트폰 같은 전자제품에 많이 사용된다. 충격에 약한 게 흠이라 내구성이 좋지 않다. 테슬라는 원통형 배터리 셀을 채택했지만, 닛산과 쉐보레는 소프트 팩 배터리를 채택했다.
배터리에는 두 개의 전극이 있다. 양극과 음극 사이의 공간을 채운 전해액에서 이온이 움직인다. 이 공간에 얼마나 많은 에너지를 보관하는지를 나타내는 것이 에너지 밀도다. 에너지 밀도를 높이기 위해서는 배터리 작동 방식을 바꾸거나 물리적인 크기를 늘려야 한다. 현재로써는 배터리 구성물질을 크게 바꾸기는 어려운 상황이라 일반적으로 후자를 적용한다.
테슬라에 줄곧 18650 배터리를 공급해온 파나소닉은 2015년 지름과 길이를 늘인 21700 배터리 셀을 공개했다. 기존 배터리의 에너지 밀도를 5% 향상시키고 값비싼 코발트 등 사회 환경적 비용이 드는 화학물질을 줄인 것이 특징이다. 이 배터리 셀은 네바다주 기가팩토리1에서 생산한다. 현재 모델 3와 모델 Y에 장착된다. 파나소닉 에너지 알란 스완(Allan Swan)북미 회장은 “우리는 또 다른 배터리 변혁을 앞두고 있다”고 말한다.
파나소닉은 21700 셀이 현재 대량생산되는 배터리 가운데 에너지 밀도가 높고 가장 저렴하다고 주장한다. 이 배터리 셀은 기존보다 20% 이상의 에너지 밀도 향상을 가져온다. 또한 지난해 기준으로 21700 배터리($170)는 18650 배터리($185)보다 약 9%의 생산 비용이 절감된다.
테슬라는 모델S와 모델 X에는 18650 배터리를, 모델 3과 모델 Y에는 21700 배터리를 장착한다. 배터리 개발이 계속되면서 전기차 생산의 효율화와 비용 절감은 물론, 화학물질 사용 감소로 이어질 수 있을지 주목된다.
최경헌 에디터 carguy@carguy.kr
