2024년 3월 6일~8일, 3일간 열린 2차전지 산업 전시회 ‘인터배터리 2024’에서 세간의 이목을 집중시킨 기술이 공개됐습니다. 그것은 바로 LG에너지솔루션의 ‘셀투팩(Cell to Pack, 이하 CTP)’입니다. 이 공정은 중간 단계인 모듈(Module)을 생략하고, 셀(Cell)을 배터리 팩(Pack) 내부에 직접 조립하는 기술인데요. LG에너지솔루션은 업계 최초로 파우치형 배터리에 CTP를 도입하여 뜨거운 관심을 받았습니다. CTP가 어떤 기술인지, 또 LG에너지솔루션 CTP의 차별점은 무엇인지 함께 알아보겠습니다.
공간을 사수하여 에너지 밀도를 높이는 셀투팩(Cell to Pack, CTP)
일반적인 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5~4.5V 내외입니다. 때문에 고용량·고출력이 필요한 전기차, ESS(에너지저장장치) 등의 애플리케이션에 탑재하기 위해서는 여러 개의 배터리 셀을 모듈화하고, 그 모듈들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 배터리 팩을 만들어야 합니다. 이때 배터리 셀과 모듈의 개수에 따라 배터리 팩의 출력, 에너지 용량 등이 결정되는데요. 따라서 배터리 팩에 가능한 많은 셀과 모듈을 효율적으로 구성하는 기술이 고성능 배터리를 만드는 핵심 요소라 할 수 있죠.
이러한 고민의 결과, CTP기술이 적용된 배터리 팩이 주목받고 있습니다. CTP는 배터리 셀을 모듈화하지 않고, 바로 팩으로 만드는 기술인데요. CTP를 활용하면 모듈 케이스가 차지하는 공간까지도 셀로 채워 넣을 수 있습니다. 즉 팩 내부 데드 스페이스(Dead Space) 최소화를 통해 추가적인 공간을 확보하여, 에너지 밀도와 용량을 높일 수 있는 것이죠. 또한 모듈 공정을 생략하게 되면서 기존 공정 대비 활용하는 부품 수가 적어지는데요. 이는 팩 ‘제조 시간 단축’과 ‘비용 절감’이라는 장점을 함께 가져옵니다. 한편 CTP 배터리는 셀을 고정하고 보호해주는 모듈이 없기 때문에 충격을 흡수하는 등의 방법을 통한 안전성 확보가 중요한데요. 이는 CTP 공정 최적화, TP솔루션 등과 함께 주요 과제로 연구되고 있습니다.
업계 최초 파우치 배터리에 CTP를 도입한 LG에너지솔루션
LG에너지솔루션은 고성능 배터리에 대한 니즈를 파악하여 이를 대응할 수 있는 다양한 기술을 준비하고 있습니다. 그 중 하나가 바로 CTP입니다. LG에너지솔루션은 일찍부터 CTP 기술에 관심을 가져왔습니다. 과거 모듈과 팩이 통합된 MPI(Module Pack Integrated) 기술 개발을 시작으로, 끊임없는 연구와 발전을 통해 현재 CTP까지 온 것이죠.
특히 LG에너지솔루션은 배터리 업계 최초로 파우치형 배터리에 CTP를 도입해 많은 이들의 관심을 받았습니다. 파우치형 배터리 셀은 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(Dead space)가 적다는 장점이 있습니다. 이에 LG에너지솔루션은 파우치 배터리 셀의 장점을 적극 활용하는 동시에, 높은 공간 효율성으로 배터리 용량과 출력을 극대화할 수 있는 파우치형 CTP 배터리를 개발한 것이죠.
CTP가 적용된 LG에너지솔루션 파우치 배터리 셀 구조
LG에너지솔루션의 CTP가 적용된 파우치형 배터리는 어떤 제조 과정을 거칠까요? 먼저 각각 하나 또는 적층된 둘 이상의 파우치형 배터리 셀을 배열하고, 측면에 압축 패드를 부착합니다. 이렇게 배열된 배터리 셀들을 버스바(Busbar)를 통해 전기적으로 연결하고, 이를 감싸는 셀 커버를 씌워 하나의 셀 유닛(Cell Unit)을 만들죠. 이 때 셀 커버는 외부의 충격 등으로부터 파우치형 배터리 셀들을 보호하고, 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있게 합니다.
셀 유닛들이 만들어지고 나면, 팩 케이스에 써멀 레진(Thermal Resin)을 도포한 후 셀 유닛들을 배치합니다. 써멀 레진을 활용하면 팩 케이스와 바닥판 간의 열전달율을 높여, 배터리 셀들에 대한 냉각 효율을 증대시킬 수 있죠. 이러한 과정들이 진행되고 나면 탑재된 배터리의 여러가지 데이터를 측정하고 제어하는 BMS(Battery Management System)를 장착합니다.
LG에너지솔루션은 파우치형 배터리에 CTP를 적용시켜 2025년 양산을 목표로 합니다. 아울러 CTP 공정 혁신을 통해 MTP(Module to Pack) 대비 공정 수를 상당 부분 축소할 계획인데요. 현재 LG에너지솔루션이 개발한 파우치 CTP는 각형 CTP에 비해 무게당 에너지 밀도를 약 5% 수준으로 높게 설계할 수 있어, 고객별 차량에 따라 전비를 높일 수 있는 솔루션 제공이 가능합니다. 또한 더 높은 수준의 CTP 구현을 위한 신공법 개발, 검증 진행을 목표로 CTP 파일럿 라인도 구축하였습니다. 현재 CTP 파일럿 라인에서는 조립/용접/도포/검사 등 다양한 항목에서 CTP 공정 혁신 과제를 발굴하여 연구를 진행 중입니다.
지금까지 CTP에 대해 자세히 살펴봤습니다. LG에너지솔루션은 파우치형 배터리에 CTP를 도입함으로써, 더 높은 배터리 팩 성능을 확보하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 앞으로도 차별화된 기술로 배터리 시장에 혁신을 일으킬 LG에너지솔루션의 행보를 기대해 주세요!