[배터리완전정복](20)K-배터리 새희망, 46xx 원통형이 온다

편집자주지금은 배터리 시대입니다. 휴대폰·노트북·전기자동차 등 거의 모든 곳에 배터리가 있습니다. [배터리 완전정복]은 배터리에 대해 알고 싶어하는 일반 독자, 학생, 배터리 산업과 관련 기업에 관심을 가진 투자자들에게 배터리의 기본과 생태계, 기업 정보, 산업 흐름과 전망을 알기 쉽게 전달하기 위해 만든 코너입니다. 매주 토요일에 여러분을 찾아갑니다.

최재원 SK그룹 수석부회장은 지난 10일(현지시간) 미국 라스베이거스에서 열린 세계 최대 전자·IT 전시회인 CES 2024에서 기자들과 만나 "원통형 배터리 개발이 꽤 많이 진행됐다"며 원통형 배터리 시장 진출을 공식화했다. SK온은 파우치형 배터리를 주력으로 했으나 이제 각형과 원통형으로 제품 라인업을 다양화하기로 한 것이다.

SK온의 원통형 배터리 시장 진출이 관심을 끈 것은 테슬라의 공급 가능성 때문이다. 특히 4680 원통형 배터리 개발 여부다.

기존 2170 배터리보다 에너지 밀도를 향상시키고 가격을 낮춘 4680 배터리는 차세대 원통형 배터리로 주목받고 있다. 테슬라는 2020년 9월 열린 배터리 데이에서 처음 4680 배터리를 언급했다. 이 배터리는 현재 모델Y 일부와 최근 출시한 픽업 트럭인 사이버트럭에 적용됐다. 하지만 수율 문제로 인해 대량 생산에는 어려움을 겪고 있다.

테슬라에 이어 BMW도 2025년에 출시할 자사 전기차에 지름 46㎜의 원통형 배터리를 적용할 계획이다. 테슬라와 BMW의 시도가 성공적으로 안착한다면 다른 전기차들도 46㎜ 사이즈의 원통형 배터리를 잇달아 채택할 것으로 보인다. 이에 따라 주요 배터리셀 기업들은 내부적으로 46㎜ 배터리 개발에 박차를 가하고 있다.

지난 하반기부터 글로벌 전기차 시장의 성장세가 둔화하는 모습을 보이고 있다. 전기차 보급이 일정 궤도에 오른 뒤 나타나는 일종의 캐즘(chasm.일시적 수요 정체)이라는 분석이 나온다. 새롭게 등장할 46㎜ 배터리가 전기차 시장의 전기를 마련할 수 있을지 주목된다.

'배터리 표준 전쟁', 최종 승자는?

리튬이온 배터리는 형태에 따라 크게 원통형, 각형, 파우치형으로 나뉜다. 각각은 모양뿐 아니라 특성도 다르다. 형태의 차이로 인해 쓰임새도 달라지게 된다.

원통형 배터리(cylindrical battery)는 우리가 흔히 일반적으로 접하는 AA 크기 건전지처럼 둥근 원통 모양이다. 제작 방식은 우선 양극·분리막·음극을 포개어 권취기에서 돌돌 말아 둥근 원기둥 형태로 만든다. 이렇게 말린 형태를 젤리롤(jelly roll)이라고 부른다. 완성된 젤리롤을 알루미늄 캔에 넣고 전해액을 주입한 후 밀봉하면 된다.

원통형은 역사가 가장 오래된 방식인 만큼 규격이 표준화돼 있다. 대량 생산이 가능해 생산 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 리튬이온 배터리는 처음 원통형으로 상용화됐다.

파나소닉이 개발한 원통형 배터리. 왼쪽부터 1865, 2170, 4680 규격.

테슬라가 2008년 출시한 첫 전기차 로드스터에는 파나소닉이 제작한 1865 크기의 원통형 배터리가 쓰였다. 범용이다 보니 구하기 쉽고 안전성이 어느 정도 검증됐으며 제작 단가가 저렴하다는 이유에서였다. 다만 원통형 배터리를 묶어서 사용할 경우 구조상 빈 공간이 생기기 때문에 에너지 밀도가 떨어진다는 단점이 있다.

각형 배터리(Prismatic battery)는 알루미늄을 외장으로 사용한 직사각형 모양의 배터리다. 과거에는 원통형과 마찬가지로 와인딩(winding) 방식으로 젤리롤을 만든 후 사각형의 캔에 넣었다. 이 경우 캔 안에 데드 스페이스(dead space·죽는 공간)가 생긴다는 단점이 있다. 최근에는 와인딩 대신 차곡차곡 쌓는 스태킹(Stacking) 방식이 도입되고 있다.

각형 배터리는 1990년대 소형 전자 기기와 스마트폰에 많이 쓰였다. 이후 파우치형(Pouch)이 등장하면서 입지가 흔들리는 듯했으나 전기차 시대로 넘어오면서 다시 많이 쓰이고 있다.

각형 배터리는 단단한 알루미늄으로 쌓여 있어 내구성이 좋고 전기차에 적층으로 탑재하기에 유리하다. 중국의 CATL은 이러한 각형의 장점을 이용해 패키징 공정을 간소화한 셀 투 팩(Cell to Pack) 방식을 고안해 비용을 크게 낮췄다.

CATL의 셀투팩(CTP) 배터리 시스템

각형 배터리는 셀을 보호하기 위해 두꺼운 외장재를 사용하기 때문에 파우치형에 비해 무겁다. 배터리 간 간격이 좁아 열관리가 어렵다는 단점도 있다.

파우치형은 주머니 모양의 필름 케이스에 양극-분리막-음극 등 소재를 쌓아 내부를 채우고 접착시킨 후 파우치 안에 전해액을 주입해 완성한다. 파우치형은 얇게 만들 수 있기 때문에 스마트폰 등 얇은 두께의 전자 기기에 많이 쓰였다.

파우치형은 또한 공간 효율성이 높아 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차에도 많이 채택되고 있다. 여러 가지 형태로 변형이 가능해 맞춤 제작이 가능하다는 장점도 있다. 하지만 다른 유형에 비해 물리적인 강도가 낮고 공정이 복잡해 생산 비용이 높다는 단점이 있다.

전기차 초기에는 기업들마다 선호하는 폼팩터(form factor. 외형)가 있었다. 배터리셀 기업들도 고객사의 요구에 따라 주력 제품이 나뉘었다. 테슬라를 주요 고객으로 하는 파나소닉은 주로 원통형 배터리를 생산했다.

국내에서 LG에너지솔루션과 SK온은 각각 GM과 포드에 파우치형 배터리를 공급했다. 국내 현대차·기아도 국내 파우치형 배터리를 주로 사용했다. 삼성SDI는 BMW, 폭스바겐 등 유럽 전기차에 각형 배터리를 공급했다.

CATL, BYD 등 중국 기업들은 주로 각형 배터리를 생산했다. 글로벌 전기차 시장에서 각형 배터리가 차지하는 비중이 가장 높은데 이는 중국 전기차의 영향이 크다. SNE리서치에 따르면 2023년 1분기 기준 각형 배터리의 점유율은 65%, 파우치형은 20%, 원통형은 14%다.

하지만 제조사에 따른 칸막이식 구분은 점차 사라지고 있다. 전기차의 종류가 다양해지면서 제조사들이 전기차의 용도와 특성, 디자인에 맞는 다양한 형태의 배터리를 요구하고 있기 때문이다. 이에 따라 배터리 기업들은 한두 개의 폼팩터만 고집하지 않고 다양한 유형의 배터리를 개발·생산하고 있다. 최근엔 각형의 비중이 점점 낮아지는 대신 파우치와 원통형의 비중이 점점 높아지고 있다.

완성차 업체들도 특정 기업에 대한 의존도를 낮추고 위험을 분산하기 위해 배터리 공급사를 다변화하는 추세다. 오랫동안 LG에너지솔루션과 파트너 관계였던 GM이 2023년 4월 삼성SDI와 북미에 각형과 원통형 배터리를 생산하는 합작회사를 설립키로 발표한 게 대표적인 사례다. 현대차·기아도 국내 배터리만 고집하지 않는다. 배터리 기업들은 고객사가 원하는 다양한 유형의 제품을 만들어내야만 생존할 수 있는 무한 경쟁의 시대가 열린 것이다.

'새 질서' 46㎜ 원통형, 왜 더딘가

특히 주목되는 것은 원통형 채택의 증가다. 한때 테슬라의 전유물로만 여겨졌던 원통형 배터리는 4680 배터리 발표 이후 BMW, 볼보, 스텔란티스 등 다른 자동차 기업들도 잇달아 관심을 보이고 있다.

4680 배터리의 채택이 늘어날 것으로 예상됨에 따라 주요 배터리 기업들도 앞다퉈 개발에 나섰다. 테슬라의 오랜 파트너인 일본 파나소닉은 물론 국내에서는 LG에너지솔루션과 삼성SDI가 개발을 진행하고 있다. 중국에서도 CATL, EVE에너지, BYD 등 5~6곳이 개발 중인 것으로 파악된다.

4680 배터리는 지름 46㎜, 높이 80㎜의 크기를 갖는 배터리를 말한다. 1세대 원통형 배터리의 규격은 지름 18㎜, 높이 65㎜의 1865였다. 2세대는 지름 21㎜, 높이 70㎜의 2170이었다. 이들 배터리를 18650, 21700 등 0을 하나 더 붙여 부르기도 한다. 이때 '0'은 원통형이라는 의미를 지닌다.

4680 배터리는 테슬라가 2020년 9월 배터리 데이에서 처음 언급하며 조명을 받기 시작했다. 당시 테슬라는 이 배터리가 기존 2170 대비 5배의 에너지를 가지며 주행거리는 16% 늘어나고 파워는 6배가 향상될 것이라고 밝혔다. 테슬라는 또한 양극재에 하이 니켈을 적용하고 음극재에는 실리콘 함량을 늘려 에너지 용량을 늘렸다.

2170에서 4680으로 사이즈가 커지면 체적은 약 5배로 늘어나게 된다. 4680 원통형은 단순히 크기만 커진 것이 아니다. 테슬라는 4680 배터리에 기존 이차전지와 다른 셀 디자인을 적용하고 공정, 패키징 방식의 혁신을 통해 비용을 최대 56%까지 낮추겠다는 목표를 제시했다. 이때부터 과연 테슬라가 이를 어떻게 구현해낼지가 초미의 관심사가 됐다.

4680 배터리는 디자인 측면에서 탭(tab)을 없앤 탭리스(tabless) 방식을 채택했다. 기존 원통형 배터리에는 전극에서 단자까지 전류가 흐르는 경로인 '리드탭'이라는 것을 붙이는데 이것을 없앴다. 탭을 제거하고 전극의 면 전체를 도체로 활용하면 전자의 흐름을 개선하고 열을 골고루 분산시킬 수 있는 효과가 있다.

다만 이를 실제로 구현하는 것은 꽤 어려운 기술이다. 배터리 업계는 탭리스 기술을 이용해 대량 생산 체계를 구축하는 데 애를 먹고 있다.

4680 배터리의 탭리스 구조

4680 배터리는 전극 공정에서 습식 코팅이 아닌 건식 코팅 방식을 적용한다. 전극 공정이란 양극재와 음극재를 기판 위에 올리는 공정을 말한다. 기존에는 전극을 제조할 때 활물질, 도전재, 바인더를 용매에 섞어 슬러리 형태로 만든 후 집전체 위에 도포하는 방식을 썼다. 이 방식에서는 다음 공정으로 넘어가기 전에 전극을 건조하는 과정을 거친다.

반면 건식 코팅은 용매를 섞어 슬러리로 만드는 과정을 거치지 않고 직접 집전체에 전극 소재를 도포한다. 전조 과정이 생략되기 때문에 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다. 하지만 슬러리를 만들지 않고 도포하기란 여간 어려운 일이 아니다.

실제로 현재 4680 배터리의 생산이 지체되는 주요 원인 중 하나는 전극 공정 때문인 것으로 파악된다.

테슬라는 지난해 11월 30일 차세대 픽업 전기차인 사이버트럭의 인도를 시작했다. 이 차량의 대기자 수만 200만명에 달한다. 하지만 생산 속도는 턱없이 느리다. 일론 머스크는 2025년에는 연간 25만대의 사이버트럭을 생산할 수 있을 것이라고 밝힌 바 있다. 이 속도라면 4년을 대기해야 차를 받을 수 있다는 얘기다.

하지만 이러한 목표조차도 달성할지 미지수다. 로이터의 지난해 12월 보도에 따르면 테슬라의 기가텍사스 공장에서는 연간 2만4000대의 사이버트럭에 공급할 수 있을 정도의 4680 배터리만 생산하고 있다. 테슬라는 음극에 건식 코팅을 적용하는 데에는 큰 문제가 없으나 양극의 건식 코팅 공정에서 차질이 발생하는 것으로 전해지고 있다. 생산비를 낮추기 위해 적용한 기술이 오히려 수율을 낮추는 원인으로 작용하고 있는 것이다.

46㎜ 원통형도 한·중·일 삼국지

현재 4680 원통형 배터리를 상용 생산하는 곳은 테슬라가 유일하다. 테슬라는 샌프란시스코에서 4680 파일럿 라인을 운영하고 있으며 대량 생산은 기가텍사스 공장에서 이뤄지고 있다. 테슬라 외의 기업으로는 일본 파나소닉과 LG에너지솔루션이 4680 배터리를 개발하고 있다. 사이버트럭의 인기, 4680 배터리의 공급 부족 상황을 감안할 때 이들 기업에 새로운 시장 확대의 기회가 열릴 것이란 기대가 있다.

파나소닉은 당초 2023 회계연도(2023년 4월~2024년 3월)에 테슬라용 4680 배터리 양산을 시작할 계획이었으나 이를 2024년 회계연도 상반기(2024년4월~9월)로 연기했다. 이 계획대로라면 늦어도 올해 하반기에는 파나소닉도 본격적으로 4680 배터리를 내놓을 것으로 보인다.

LG에너지솔루션은 2022년 6월 국내 오창 2공장에 5818억원을 투자해 9기가와트시(GWh) 규모의 4680 배터리 생산라인을 증설한다고 밝힌 바 있다. 업계에서는 LG에너지솔루션도 2024년 하반기에 4680 배터리를 양산할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

LG에너지솔루션 직원들이 오창공장에서 생산한 2170 배터리를 보여주고 있다. 사진=LG에너지솔루션

LG에너지솔루션은 북미 애리조나 공장에서도 4680 배터리를 생산할 계획이다. 애리조나 공장을 4680 배터리의 북미 핵심 생산 거점으로 키운다는 복안이다. '마더 팩토리'격인 오창에서 기술을 완성한 후 애리조나 공장에서 대량 생산 체계를 갖추는 방식이다. 이를 위해 생산 능력도 기존 27GWh에서 36GWh로 확대할 계획이다. 북미에서 양산 목표 시점은 2025년 말이다.

파우치형을 주로 생산하던 LG에너지솔루션은 원통형으로 라인업을 확대하고 있다. 현재 오창 1공장에서는 2170 원통형 배터리를 생산하고 있다.

배터리 기업들이 기대하는 또 다른 시장은 BMW다. 이 회사는 2022년 9월 행사에서 지름 46㎜의 원통형 배터리를 공개하고 2025년에 출시할 '노이어 클라쎄(Neue Klasse)'에 적용한다고 발표했다.

BMW가 채택할 배터리는 지름은 46㎜로 테슬라와 동일하지만 높이는 다르다. BMW는 높이 95㎜인 4695형과 높이 125㎜인 46125형 2가지 버전을 공개했다. BMW는 기존에 비해 에너지밀도는 20%, 주행거리는 30% 향상시키고 가격은 절반으로 낮춘다는 목표도 제시했다. 양극재에는 코발트 비중을 줄이는 대신 니켈 함량을 늘리고 음극재에는 실리콘을 적용한다.

BMW가 공개한 직경 46mm 크기의 원통형 배터리. 사진=BMW

BMW는 중국의 CATL과 EVE에너지가 새로운 원통형 배터리를 공급할 계획이라고 밝혔다. 46㎜ 배터리를 생산하기 위해 중국에 2개, 유럽에 2개, 북미에 2개의 공장을 각각 신설할 계획이다. 각각의 생산 능력은 연간 20GWh다.

CATL과 EVE에너지도 각각 2022년 9월, 2023년 5월 BMW와 원통형 신규 공장 설립 계약을 발표했다. 지난해 10월 중국 매체에서 에스볼트(SVOLT)도 BMW와 원통형 배터리 공급계약을 체결했다는 보도가 있었으나 아직 BMW 측의 공식 발표는 없는 상황이다.

중국 EVE에너지가 개발중인 4695 원통 형배터리

BMW가 공식화하지는 않았지만 삼성SDI가 개발 중인 46㎜ 원통형 배터리도 BMW에 공급하기 위한 것으로 전해졌다. 삼성SDI는 2023년 초 46㎜ 원통형 배터리 파일럿 라인을 구축해 개발을 진행하고 있다. 4680뿐 아니라 4695, 46125 등 다양한 규격을 생산하는 것으로 알려졌다.

이 외에 중국에서는 CALB, BAK, 궈산(Guoxuan) 등도 직경 46㎜ 크기의 원통형 배터리를 개발 중인 것으로 파악된다. 이들 기업이 어디에 제품을 공급할지에 대해서는 알려져지 않았다.

<참고문헌>

하이투자증권, 4680 is Coming, 2022.6.14
BMWblog, BMW Confirms Round Battery Cells For Neue Klasse With 30% More Range, 2022.9.9
BMWblog, All you need to know about BMW’s Gen6 cylindrical cells, 2022.9.19
China Daily, CATL to supply BMW cylindrical batteries from 2025, 2022.9.13
SNE리서치, 4680배터리 상용화 가능성은?, 2023.3.30
energey storage news, EVE to build plant to supply BMW electric vehicles in Hungary, 2023.5.16
Batteries News, Great Wall-backed Svolt Energy gets order to supply batteries worth over $10 billion to BMW, report says, 2023.10.13
메리츠증권, LG에너지솔루션 2024년 4680 전지 양산에 거는 기대감, 2023.11.3
Reuters, Tesla Cybertruck deliveries hostage to battery production hell, 2023.12.22