배터리를 떠올리면 어떤 모습이 생각나시나요? 원기둥 형태부터 납작한 파우치, 직육면체 모양까지 배터리 셀의 생김새는 다양합니다. 이 같은 배터리 셀의 외형과 패키징 구조를 ‘폼팩터(Form Factor)’라고 하는데요. 대표적인 배터리 폼팩터에는 원통형(Cylindrical), 파우치형(Pouch-Type), 각형(Prismatic)이 있습니다. 폼팩터마다 특성이 다른 만큼, 사용 환경에 따라 적합한 형태도 달라집니다.
이번 시간에는 배터리의 세 가지 폼팩터인 원통형, 파우치형, 각형의 특징을 살펴보겠습니다.
원통형·파우치형·각형 배터리는 무엇이 다른가요?
세 폼팩터는 사용하는 외장재와 전극 구성 방식에 따라 셀의 무게와 강성1, 설계 유연성, 공간 활용성 등에서 차이를 보입니다. 주요 특징을 비교하면 다음과 같습니다.
| 구분 | 원통형 배터리 | 파우치형 배터리 | 각형 배터리 |
|---|---|---|---|
| 외장 구조 | 원형 금속 캔 | 알루미늄 필름 소재 파우치 케이스 | 직육면체 금속 캔 |
| 전극 구조 | 와인딩 기반 젤리롤 구조 | 적층 기반 스택셀 구조 | 와인딩 또는 적층 구조 |
| 주요 특징 | 높은 견고성, 표준화된 규격 | 가벼운 무게, 높은 설계 유연성 | 높은 견고성, 우수한 공간 활용성 |
| 대표 적용 분야 | EV, 전동공구 | EV, ESS, IT 기기 | EV, ESS |
원통형 배터리는 양극과 음극, 분리막을 겹쳐 돌돌 감는 와인딩 공정으로 젤리롤(Jelly Roll)*을 만들어 금속 캔에 넣는 방식이고, 파우치형 배터리는 전극을 층층이 쌓은 스택셀(Stack-Cell)*을 파우치 필름에 넣는 방식입니다. 각형 배터리는 와인딩과 적층 두 방식을 모두 활용할 수 있는데요. 이처럼 전극을 만드는 방식 자체가 다르기 때문에, 같은 소재를 쓰더라도 셀의 무게와 형태, 생산 효율에서 차이가 발생합니다.
*(인포그래픽#6) 배터리 만들기 STEP. 2 – 조립 공정: 원통형 배터리 편 보러가기
*(인포그래픽#5) 배터리 만들기 STEP. 2 – 조립 공정: 파우치 배터리 편 보러가기
배터리 폼팩터가 다양하게 사용되는 이유는 무엇인가요?
폼팩터가 달라지면 부피당 에너지 밀도뿐 아니라 제조 공정과 셀 비용, 열관리 방식, 안전성 등 여러 측면에서 차이가 나타납니다. 각 폼팩터가 지닌 장단점이 다른 만큼, 최종 소비재의 사용 환경에 맞는 배터리가 쓰입니다.
예를 들어 전기차용 배터리는 제한된 공간을 효율적으로 활용하면서 높은 에너지 밀도를 확보하는 것이 중요한데요. 이를 위해 파우치형과 각형 배터리는 다양한 크기와 형태로 설계되고 있습니다. ESS는 무게와 공간 활용에 대한 제약이 상대적으로 적어, 폼팩터를 선택할 때 비용 효율성을 중요하게 고려합니다. 반면 스마트폰에서는 최소한의 무게와 공간 활용성이 중요해 파우치형 배터리가 적합한 것으로 평가됩니다.
배터리의 안전성 역시 폼팩터만으로 단순하게 비교하기는 어렵습니다. 원통형과 각형 배터리는 단단한 금속 케이스를, 파우치형 배터리는 얇은 파우치형 외장재를 사용하는 등 구조에 차이가 있는데요. 하지만 외형 차이만으로 특정 폼팩터가 다른 폼팩터보다 더 안전하다고 단정할 수는 없습니다. 단일 셀의 안전성에는 셀의 화학 조성이나 내부 구조, 안전장치 설계 등 다양한 요소가 영향을 미치기 때문입니다.
결국 특정 폼팩터가 모든 제품에 가장 적합한 것은 아닙니다. 원통형과 파우치형, 각형 배터리는 각각의 특성을 바탕으로 사용 환경과 요구 조건에 맞게 선택됩니다. 그럼 세 가지 폼팩터를 하나씩 자세히 살펴보겠습니다.
높은 구조 강성을 갖춘 원형 금속 캔 구조, ‘원통형 배터리’
원통형 배터리는 원형의 금속 캔을 외장재로 사용하는 배터리입니다. 양극과 음극, 분리막을 겹친 뒤 돌돌 감는 와인딩 공정으로 젤리롤(Jelly Roll)을 만들고, 이를 원통형 금속 캔 안에 넣어 셀을 구성합니다.
특히 원통형 배터리는 단단한 금속 캔을 사용해 구조가 견고하며, 규격화된 셀 형태를 기반으로 생산 효율을 높이는 데 유리합니다. 대표적으로 18650 원통형 배터리*, 21700 원통형 배터리*가 널리 활용되고 있는데요. 최근에는 지름이 46mm인 46시리즈 배터리*까지 제품군이 확대되고 있습니다. 이처럼 규격에 따라 셀의 크기와 저장할 수 있는 에너지양이 달라지는 만큼, 전동공구부터 전기차까지 다양한 제품의 요구 성능에 맞춰 활용되고 있습니다.
LG에너지솔루션은 원통형 배터리 기술 경쟁력을 강화하고 있습니다. 46시리즈 배터리를 고도화하는 한편, 독자적인 CAS(Cell Array Structure) 기술을 통해 구조 강성과 냉각 성능을 높이는 등 원통형 배터리의 경쟁력을 높이고 있습니다.
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가벼운 파우치 케이스로 설계 유연성을 높인 ‘파우치형 배터리’
파우치형 배터리는 알루미늄 필름 소재의 파우치 케이스를 외장재로 사용하는 배터리입니다. 제조공정에는 라미네이션&스태킹(Lamination & Stacking), AZS(Advanced Z-Stacking) 등 여러 가지 방법이 쓰이는데요. 이를 기반으로 만들어진 스택셀(Stack Cell)을 파우치 필름 안에 넣어 셀을 구성합니다. 여기서 스택셀은 분리막을 사이에 두고 양극과 음극이 차례로 쌓인 구조로, 파우치형 배터리의 납작한 형태를 만드는 기반이 됩니다.
파우치형 배터리는 단단한 금속 캔 대신 얇고 가벼운 파우치 필름을 외장재로 사용해 셀 전체의 무게를 줄일 수 있으며, 이를 바탕으로 높은 에너지 밀도를 구현하는 데 유리합니다. 또한 금속 캔처럼 정해진 규격을 맞출 필요가 없어, 셀의 크기와 두께를 다양하게 설계할 수 있는데요. 설계 유연성이 높기 때문에 배터리가 탑재되는 제품의 공간과 요구 용량에 맞게 셀을 설계할 수 있습니다. 이에 전기차와 ESS는 물론 스마트폰, 노트북 등 IT 기기에도 폭넓게 활용되고 있습니다.
LG에너지솔루션은 파우치형 배터리의 제품과 기술 포트폴리오를 지속적으로 확대하고 있습니다. 파우치형 고전압 미드니켈 배터리*, LFP 배터리* 등 다양한 제품을 개발하는 한편, 다단계 쿨링 시스템과 TP(Thermal Propagation)* 방지 팩 솔루션 등을 통해 배터리 시스템의 안전성도 강화하고 있습니다.
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직육면체 금속 캔으로 배터리 내부 공간 효율을 높인 ‘각형 배터리’
각형 배터리는 직육면체 형태의 금속 캔을 외장재로 사용하는 배터리입니다. 양극과 음극, 분리막으로 구성된 전극을 와인딩하거나 층층이 쌓는 적층 방식으로 전극 조립체를 만든 뒤, 이를 금속 캔 안에 넣어 셀을 구성합니다.
각형 배터리는 금속 캔을 기반으로 높은 구조 강성을 확보할 수 있다는 특징이 있습니다. 또한 평평한 직육면체 형태를 바탕으로 배터리 모듈과 팩의 공간 효율을 높이는 데 유리합니다. 이러한 구조적 특징을 바탕으로 전기차와 ESS 등에 활용되고 있습니다.
LG에너지솔루션은 축적해 온 스태킹 기술과 배터리 설계·제조 및 패키징 기술을 활용해 각형 배터리 경쟁력을 강화하고 있습니다. 이를 바탕으로 LMR(리튬망간리치)·LFP 기반의 각형 배터리를 개발하고 있으며, 북미 ESS 시장을 위한 각형 배터리 양산도 준비하고 있습니다.
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핵심Q&A
Q. 배터리 폼팩터란 무엇인가요?
배터리 폼팩터(Form Factor)는 배터리 셀의 외형과 패키징 구조를 의미합니다. 대표적으로 원통형(Cylindrical), 파우치형(Pouch-type), 각형(Prismatic)이 있습니다.
Q. 원통형·파우치형·각형 배터리는 어떤 차이가 있나요?
원통형·파우치형·각형 배터리는 외장재와 전극을 구성하는 방식에서 차이가 있습니다. 원통형은 원형 금속 캔과 와인딩 방식을, 파우치형은 얇은 파우치 케이스와 적층 방식을 주로 활용하며, 각형은 직육면체 금속 캔에 와인딩 또는 적층 방식을 적용할 수 있습니다. 이러한 구조 차이에 따라 각 폼팩터의 강점과 적용 분야도 달라집니다.
Q. 배터리 폼팩터는 어떻게 선택하나요?
배터리가 사용되는 제품과 환경에 따라 중요하게 고려하는 조건이 다르기 때문에 에너지 밀도와 비용, 열관리, 안전성, 설계 조건 등을 종합적으로 고려해 적합한 폼팩터를 선택합니다.
Q. 원통형·파우치형·각형 배터리 중 어떤 배터리가 더 안전한가요?
폼팩터마다 외장재와 내부 구조에 차이가 있지만, 형태만으로 특정 폼팩터가 더 안전하다고 단정하기는 어렵습니다. 단일 셀의 안전성에는 셀의 화학 조성과 내부 구조, 안전장치 설계 등 다양한 요소가 영향을 미칩니다.
Q. LG에너지솔루션은 어떤 배터리 폼팩터를 개발하고 있나요?
LG에너지솔루션은 원통형과 파우치형 배터리 기술을 지속적으로 고도화하는 한편, 각형 배터리도 개발하고 있습니다. 이를 통해 다양한 제품과 시장의 요구에 대응할 수 있도록 폼팩터와 제품 포트폴리오를 확대하고 있습니다.
지금까지 배터리의 대표적인 폼팩터인 원통형, 파우치형, 각형 배터리의 구조와 특징을 살펴봤습니다. 배터리의 활용 분야가 넓어지고 제품마다 요구하는 성능과 조건이 다양해질수록 용도에 적합한 폼팩터를 선택하는 것도 더욱 중요해질 텐데요. 이에 맞춰 LG에너지솔루션은 원통형과 파우치형에 이어 각형까지 폼팩터 포트폴리오를 확대하고 있습니다. 앞으로도 다양한 시장과 고객의 요구에 맞는 배터리 기술을 선보일 LG에너지솔루션의 행보를 기대해 주세요!
- 강성: 물체에 압력이 가해져도 모양이나 부피가 변하지 않는 물체의 단단한 성질 ↩︎
