전기차 관련 기사들을 보면 일반적으로 ‘배터리’로 통칭하지만 전기차에 들어가는 배터리는 ‘셀', ‘모듈', ‘팩'으로 구분이 됩니다. 각각 다른 기능을 갖고 있습니다

[전기차용 배터리 구성도]

▶전기차 배터리는 심플(C-M-P)하다= 전기차를 움직이려면 스마트폰의 수천 배에 달하는 엄청난 양의 전기가 필요합니다. 실제 제품을 보더라도 스마트폰 배터리는 4,000mA로 용량으로 환산하면 14.8Wh (4,000mAⅹ3.7V(리튬이온배터리 평균 전압)) 정도이고, 순수전기차(EV)는 평균 60kWh이니 4,000배 이상 차이가 납니다.

전기차 종류에 따라 구성이 조금씩 차이가 나지만 일반적으로 전기차 배터리는 셀(Cell) - 모듈(Module) - 팩(Pack)으로 구성됩니다.

배터리라고 하면 보통 배터리 단품 ‘셀’을 얘기합니다.

이 수 많은 배터리 '셀'을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 적게는 12개에서 많게는 48개까지 셀을 모아 '모듈'로 만듭니다. 이 모듈들을 모은 것을 또한 '팩'이라고 하는데요. 셀, 모듈, 팩은 쉽게 배터리를 모으는 단위로 생각하면 됩니다. 셀, 모듈의 개수는 고객 사양에 따라 달라집니다. 즉, 고객 맞춤형으로 여러 조합 형태로 구성이 됩니다.

이렇게 전기차에는 최종적으로 배터리 ‘팩’이 탑재되게 됩니다.

실제 전기차 BMW i3를 예로 들어 보겠습니다. i3에는 셀이 총 96개 탑재됩니다. 셀 12개를 하나의 모듈로 묶고, 8개 모듈을 모은 팩이 탑재되어 있습니다.

배터리의 기본이 되는 셀은 자동차 내 제한된 공간에서 최대한의 성능을 발현할 수 있도록 단위 부피당(또는 무게당) 높은 용량을 지녀야 하는데요 이것을 부피당(또는 무게당) ‘에너지밀도’라고 합니다. 전기차 배터리 셀은 모바일 기기에 비해 훨씬 수명이 길구요. 주행 중에 전달되는 충격을 견디고, 저온/고온에서도 문제 없을 만큼 높은 신뢰성과 안정성을 지니고 있습니다.

배터리 모듈은 배터리 셀이 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 강건한 프레임으로 되어 있습니다. 여기에 셀의 상태를 모니터링하는 작은 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System) 등이 포함되어 셀의 상태를 팩 BMW에 전달해 줍니다.

마지막 형태인 배터리 팩은 모듈 여러 개를 모아 모듈에서 보내온 배터리 셀의 온도나 전압 등을 관리해 주는 Master BMS가 있습니다. 여기에 냉각장치 및 각종 제어 시스템 등이 장착되어 있습니다.

▶전기차 배터리 '모듈-팩' 기술이 중요하다= 많은 소비자들이 전기차 구매를 고려할 때 가장 큰 요인으로 ‘1회 충전 주행거리'를 꼽고 있습니다. 이를 위해 배터리 제조사들은 같은 부피나 무게에 더 많은 에너지를 넣을 수 있도록 '고에너지밀도' 배터리 셀을 개발하는 데 박차를 가하고 있습니다. 배터리 셀의 핵심 소재인 양극의 니켈 함량을 올리는 ‘하이니켈(High Ni)’ 양극을 개발하고 있고, 음극 소재도 기존 흑연에서 실리콘을 추가하거나 함량을 높이고 있습니다. 이렇게 에너지밀도를 올리면 상대적으로 안전성은 취약해 지게 되는데요. 안전성을 유지하고 에너지 밀도를 높이는게 배터리 업체의 경쟁력이겠죠? BNEF(Bloomberg New Energy Finance)에 따르면, 오는 2040년에는 전기자동차가 전 세계 승용차 시장의 55%를 차지할 것이라고 전망했습니다.

이렇게 전기차 산업의 성장성으로 인해 배터리 셀의 지속적인 발전과 더불어 모듈과 팩 기술도 함께 향상되고 있는데요. 그 동안에는 배터리 셀 성능에 대해 좀 더 집중했다면, 이제는 모듈과 팩을 얼마나 더 효율적으로 설계하고 구성하느냐 까지도 고민을 하고 있는 상황입니다.

전기차에 최종적으로 탑재되는 팩이 얼마나 효율성이 있는가에 따라 전기차의 성능 및 디자인이 바뀔 수 있기에 배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 것은 기본이고 이제 모듈과 팩의 개발 경쟁이 치열해지고 있는 이유입니다.