리튬이온배터리 형태 - 각형 VS 원통형 VS 파우치형

배터리는 모양에 따라 크게 원통형, 파우치형, 각형으로 나뉩니다. 양극판과 음극판을 제조하고, 분리막과 전해질을 합쳐 만드는 것은 같지만 어떤 모양으로 조립하고 포장하느냐에 따라 구분된다. 배터리 형태에 따라 에너지 밀도도 다르고 생산공정의 방식 및 난이도도 상이하다. 현재 LG에너지솔루션은 원통형과 파우치형, SK온은 파우치형, 삼성SDI는 각형 배터리를 주력으로 생산해 오고 있다.
 

원통형 배터리의 장단점

 
먼저 원통형 배터리는 보통 배터리라고 하면 가장 먼저 떠올리는 모양으로, 흔히 일상생활에서 사용하는 'AA' 혹은 'AAA' 규격 건전지와 유사한 형태이다. 원통형 배터리는 두루마리 휴지를 돌돌 말듯이 양극과 음극을 구부려 돌돌 마는 감는 방식으로 제조해 만들기 쉬운 편이다. 표준화된 크기·디자인으로 대량생산이 가능해 가격 경쟁력이 있고, 부피당 에너지 밀도도 높은 편이다.
 
현재 전 세계에서 사용되는 원통형 배터리의 대부분은 ‘18650’과 ‘21700’ 두 종류이며, 아직 개발 중인 4680(0)이 있다. 18650, 21700, 4680(0)은 원통형 배터리의 이름이자 규격을 나타내는데, 18650 배터리는 지름 18mm, 높이 65mm에 원통형이라는 의미다. 이때 배터리의 크기가 커지면 에너지 저장 용량도 함께 늘어난다. 4680 배터리는 지름 46mm, 길이 80mm로 더 큰 에너지 밀도와 출력을 구현할 수 있어 차세대 원통형 배터리로 거론되며 시장의 기대를 받고 있다.
 
하지만 원통형 배터리는 다른 형태의 배터리보다 공간 효율성이 낮고 무겁다는 단점이 있다. 전기차에 장착하려면 여러 개의 배터리를 하나로 묶어야 하는데 원통형은 크기가 작고 둥근 원기둥 형태이기 때문에, 팩이나 모듈로 구성했을 때 필연적으로 셀과 셀 사이의 빈 곳이 많이 발생한다. 이에 따라 밀도가 떨어질 수밖에 없는 구조이다.
 

각형 배터리의 장단점

 
각형 배터리는 얇은 직육면체 모양으로 배터리 소재들을 직사각형 틀에 담은 형태이다. 과거에는 스마트폰이나 노트북에 주로 사용됐지만, 최근에는 전기차 배터리에 주로 사용된다. 각형 배터리는 원통형 배터리보다 슬림하고, 각진 모양으로 인해 공간 효율성이 높아 더 많은 배터리를 넣을 수 있다는 장점이 있다. 원통형 배터리와 함께 금속으로 외관이 둘러싸여 있어 파우치형 배터리보다 외부 충격에 더 강하다. 그리고 제작 공정 단계가 간소해 대량 생산 시 비용 절감이 가능하다.
 
하지만 각형 배터리는 원통형·파우치형 배터리보다 에너지 밀도가 상대적으로 낮다는 단점이 있다. 각형 배터리 제조에는 양극재 등 배터리 소재를 엮어 돌돌 마는 와인딩(winding) 기법을 주로 쓰이는데, 이러한 와인딩 방식은 곡선이 생겨 각형 배터리로 만들 경우 모퉁이에 데드스페이스가 생겨 에너지 밀도 면에서 손실이 발생하기도 한다. 최근에 스태킹(stacking) 방식도 도입해 이를 개선하고 있다.
 

파우치 배터리의 장단점

 
파우치형 배터리는 파우치 필름에 양극, 음극, 분리막 등 주요 배터리 소재를 층층이 쌓아 내부를 채우고 접착시킨 후 파우치 안에 전해액을 주입하여 완성하는 파우치 모양의 배터리를 말한다. 파우치형 배터리는 각통, 원통형 등 다른 타입의 배터리보다 공간 효율이 높아 에너지 밀도가 높고, 외관이 단단하지 않아 다양한 형상으로 제조가 가능하다는 장점이 있다.
 
다만 생산 원가가 높고 공정이 복잡해 대량 생산에는 불리하다는 단점이 있다.

 

	원통형	각형	파우치형
장점	저렴한 비용 높은 안정성	대량 생산 용이 높은 내구성	높은 에너지 밀도 다양한 모양으로 제조 가능
단점	낮은 에너지 밀도 짧은 수명	낮은 에너지 밀도 무거운 무게 형태 변경 어려움	낮은 생산성 약한 내구성

 

배터리 점유율

 

SNE 리서치에 따르면 2022년 상반기 각형 배터리의 세계 시장 점유율은 65%, 파우치형 배터리는 20%, 원통형 배터리는 14%를 차지하고 있다. 테슬라가 중대형 원통형 배터리 양산을 추진하고 있어, 각형 배터리가 주로 차지하고 있는 배터리 시장의 게임 체인저가 될 것이라는 전망이 나오고 있다.