더 효율적인 배터리에 대한 수요와 열망은 지속적으로 확대되고 있습니다. 효율의 의미에는 배터리의 성능 뿐만 아니라 가격 경쟁력도 포함됩니다. 현 세대의 배터리 개발 트렌드도 이 흐름과 함께하고 있는데요. 다시 말해, ‘전기차의 주행거리 증가’와 ‘비용 절감’을 위한 기술 개발이 배터리 연구의 핵심 키워드로 기능하고 있습니다.
이러한 배경을 기반으로, 바이폴라 전지가 주목받고 있습니다. 단위 셀의 직렬 구조를 통해 팩에서의 공간 활용률을 향상시키고, 부품수를 1/5 수준까지 줄일 수 있는 바이폴라 전지란 무엇이며, 이 기술을 통해 얻을 수 있는 기대효과는 무엇인지 함께 살펴보겠습니다.
배터리 병렬 연결과 직렬 연결
어릴 적 배웠던 배터리 병렬 연결과 직렬 연결을 기억하시나요? 병렬 연결은 배터리를 같은 극끼리(양극과 양극, 음극과 음극) 연결한 후, 이를 다시 연결하는 방법입니다. 병렬 연결을 하게 되면 전류가 여러 갈래의 길로 흐르게 되어, 상대적으로 복잡한 구조를 가지게 됩니다.
반면 직렬 연결은 배터리를 서로 다른 극끼리(양극과 음극) 연결하는 방식입니다. 이를 활용하면 전류가 하나의 길로 흐르게 됩니다. 하나의 길이기 때문에 병렬 연결보다는 전류의 흐름이 단순하고, 전압을 높일 수 있죠. 이는 흔히 물통과 수압에 비교하곤 하는데요. 여러 개의 물통을 하나로 연결하면, 수압이 높아져 물이 세게 흐르는 것과 같이 이해할 수 있습니다.
바이폴라 배터리(Bipolar Battery)는 이 직렬 구조를 배터리 셀 구성에 활용한 것입니다. 이를 통해 셀 구성을 단순화할 수 있고, 고전압을 구현할 수 있기 때문입니다.
직렬 구조를 통한 고전압 바이폴라(Bipolar) 전지 구현
리튬이온배터리를 전극 구조를 기준으로 나누면, 현재 널리 사용되고 있는 ‘모노폴라(Monopolar) 구조’와 새롭게 주목받고 있는 ‘바이폴라(Bipolar) 구조’로 나눌 수 있습니다. 모노폴라 구조는 양극, 음극 집전체 각각에 양극과 음극 슬러리를 도포하고, 셀 내부에서 병렬 구조 연결을 위해 모노셀 단위로 용접하는 방식입니다. 우리가 일반적으로 알고 있는 리튬이온배터리의 구조이죠.
반면 바이폴라 구조는 하나의 전극 집전체 위아래에 양극과 음극을 위치하고, 셀 스택의 전해질을 분리하여 쌓아 구성합니다. 다시 말해 하나의 큰 케이스 안에 바이폴라 셀을 구성하는 소재들을 층층이 쌓는 구조라고 할 수 있죠. 그림에서 볼 수 있듯, 바이폴라 구조에서는 각 전극을 적층하는 것만으로 직렬 구조 구현이 가능합니다. 이를 통해 하나의 케이스 안에 적층된 전극의 수에 따라 원하는 전압을 구현할 수 있다는 장점이 존재합니다.
하지만 단일 케이스 내에서 전해질이 공유되어서는 안되고, 한 쌍의 양극과 음극 사이에만 기능하게 해야 하는 기술적 어려움이 있습니다. 또한 누액이 발생하는 경우 단락이 발생할 수도 있죠. 때문에 어떤 타입의 전해질을 어떻게 공정적으로 구현할 지가 바이폴라 구조의 기술적 핵심입니다.
바이폴라 셀 활용하여 팩 구조 및 부품 단순화 가능
앞서 우리는 전류의 흐름이 병렬 연결 시 상대적으로 복잡해지고, 직렬 연결 시 단순해진다는 사실을 보았습니다. 모노폴라 구조의 경우, 병렬 구조로 이루어 진 독립적인 셀들을 외부 연결을 통해 직렬로 구성해야 하기 때문에 전자 전달을 위한 경로가 길어지고, 높은 충전과 방전 조건에서는 셀의 부위별로 발열 특성이 달라지게 됩니다.
반면, 바이폴라 전극구조는 별도의 외부 연결선 없이 여러 개의 전극을 적층 하는 것만으로 직렬로 연결할 수 있습니다. 이를 통해 800V 구동과 같은 전기자동차용 팩을 매우 단순하게 구성할 수 있어, 구조 효율화와 더불어 부품 감소를 통한 비용 절감 효과를 기대할 수 있죠. 또한 전자 전달이 수직 방향으로만 이루어져, 저항의 감소 및 균일한 발열 특성 유지를 실현할 수 있어, 팩에서의 셀 발열 관리를 단순화할 수 있습니다.
결과적으로 팩 수준에서 셀 공간 활용률을 높이고, 부품 수를 줄일 수 있음으로써 에너지 밀도 향상과 동시에, 제조 공정 간소화를 비용 절감 효과를 기대할 수 있습니다.
바이폴라 배터리 개발을 위한 LG에너지솔루션의 로드맵은?
LG에너지솔루션은 차세대 배터리 시장의 선두 지위를 확고히 하기 위해 바이폴라 공정 기술을 적용한 ‘바이폴라 배터리’ 연구에 박차를 가하고 있습니다. LG에너지솔루션 미래기술센터는 반고체 및 전고체 배터리를 바이폴라 구조로 구현하기 위한 연구개발(R&D)을 공식화했으며, 단순 시제품 생산 수준이 아니라 본격적인 차세대배터리 상용화를 위한 기술을 확보하고 추후 대규모 양산까지 이끌어내는 것을 목표로 하고 있습니다.
바이폴라 공정의 상용화로 제품 경쟁력을 확보해 나가려는 LG에너지솔루션과 혁신 기술을 바탕으로 차세대 배터리가 진일보해 나가는 모습을 기대해 봅니다.