D12. 리튬이온전지 외형의 종류

리튬이온 이차전지는 전지의 형태, 크기, 용량, 사용 원재료, 특성, 고분자 전해질 사용 여부 등에 따라 다양한 범주로써 구분할 수 있다. 전지의 외형에 따라 원통형 전지(cylindrical cell), 각형 전지(prismatic cell), 파우치형 전지(pouch-type cell)로 구분한다.

가. 원통형 전지

원통형 전지는 원통 모양으로 구성된 전지를 의미한다. 일차전지로 사용되고 있는 알칼리 전지로서 시중에서 AA, AAA 등으로 판매되고 있는 속칭 건전지 같은 형태의 전지를 말한다. 원통형 전지는 금속 재질의 케이스로 구성되며 내부에는 젤리 롤(jelly roll)이 끼워져 있다. 젤리 롤은 양극 전극(cathode), 분리막(separator), 음극 전극(anode)을 순차적으로 쌓고 말아 놓은 형태를 말한다. 두 전극과 분리막을 감아서 젤리 롤을 만드는 과정을 권취(捲取, winding)라고 하고, 이와 같은 형태로 만들어지는 것을 일명 권취형(捲取型) 전지라고도 한다. 젤리 롤을 금속 케이스에 안치시키고 필요한 용접을 실시한 후 액체 전해액을 주입시키고 마지막 용접을 실시하여 완전히 밀봉한다.

음극에 붙어 있는 금속판은 리드(lead) 선으로 연결되고 원통형 전지의 몸체를 이루는 캔(can)에 용접되어 있다. 양극에도 역시 금속판을 리드선으로 연결한 후, 원통형의 뚜껑(cap)에 용접되어 있다. 캔과 뚜껑은 절연성의 개스킷으로 분리되어 있다. 따라서 전지의 전극은 원통형의 윗부분이 양극을 띄면 몸체 및 바닥은 음극 전위를 가지게 된다. 캡 부분에는 PTC(positive temperature coefficient), 벤트(vent), CID(current interrupt device) 등의 안전장치가 설치되어 내압이 차는 것을 억제하며 비정상적인 상황에 노출되는 경우 전류가 차단되는 구조를 취하여 안전성을 높이고 있다. 원통형 전지는 각형 전지나 파우치형 전지에 비교하여 내부의 열 배출이 상대적으로 어려워서 고전류 사용 및 장시간 연속 사용 시에 전지 내부의 발열이 문제가 될 수 있으며, 캔 및 캡에 전극을 용접할 때 충분한 접촉 면적을 만들기 어렵고 전극에 탭을 부착하기가 어려워서 고출력 전지의 설계 시에는 이러한 문제점을 해결하기 위한 기술을 확보하여야 한다.

원통형 리튬이온 이차전지로 가장 많은 18650 전지는 지름이 18mm, 높이가 65mm의 원통 모양을 갖고 있으며, 노트북 컴퓨터 등에 주로 사용되고 있다. 미국의 테슬라 자동차는 일본에서 제조한 원통형 전지를 장착하고 있다고 알려져 있다. 원통형 전지는 전극 반응이 비교적 균일하게 일어나며, 제조 속도가 빨라 상대적으로 제조단가가 낮다고 알려져 있다. 원통형 전지는 대량생산 체제에 적합하여 대기업 위주로 생산되고 있다. 최근에는 중대형 전지로의 활용을 위하여 고출력, 대용량 원통형 전지를 요구함에 따라 18650 형보다 큰 원통형 전지의 개발이 고려되고 있다.

보통 18650 원통형 전지의 용량을 기준으로 전지의 에너지 밀도를 비교한다. 리튬이온 이차전지가 시장에 나온 초기에는 18650 전지의 용량이 1,000mAh 수준이었으나 재료 및 공정 개선을 통해 현재 전지 용량이 약 2,600 ~ 2,800mAh의 용량을 갖는 원통형 전지를 양산하고 있으며, 3,600mAh까지도 가능하다고 전망된다. 18650 크기의 한정된 공간에 최대의 용량을 구현하는 것이 각 업체 간의 기술경쟁을 부추김에 따라 업체들이 앞다투어 고용량의 전지를 내어놓았으나, 최근에는 가격 문제를 중시함에 따라 오히려 제조단가를 낮추면서 일정 수준 이상의 에너지 밀도를 보이는 2200mAh 급이 많이 생산되고 있다.

나. 각형 전지

각형 전지란 외곽 형상이 직육면체인 전지를 의미한다. 뒤에 나오는 파우치형 전지도 비슷한 형상을 가지고 있어, 각형에 포함시키기도 하지만, 일반적으로는 각형 전지는 금속재의 케이스를 사용한 직육면체 형태의 전지를 의미하며, 휴대전화용 전원으로 널리 사용되고 있다. 현재는 고분자 전해질을 사용한 리튬이온 폴리머 전지로 시장을 잠식당하며 성장세가 다소 둔화되고 있으나 각형 고유의 장점이 있어서 계속 시장을 유지할 것으로 전망되고 있으며, 특히 중대형 전지 제조 시에 장점이 있어서 새로운 성장의 가능성을 지니고 있다.

각형 전지는 직육면체 형태의 금속 케이스 내부에 전극과 분리막의 조립물을 장착하여 제조한다. 전극과 분리막은 권취할 수도 있으며, 적층 한 형태도 가능하다. 하지만 일반적으로는 권취형의 젤리 롤이 사용된다. 각형에서 사용되는 젤리 롤은 원통형과는 다르게 원형이 아닌 긴 형태를 취하게 된다. 원통형을 권취할 때는 짧은 막대를 중심으로 회전하여 권취한다면, 각형의 경우 판의 형태를 중심으로 권취하여 얇고 넓은 형태의 직육면체 형상으로 권취가 이루어진다. 이 방식은 조립 시에 원통형만큼 빠르지 않지만, 적층형에 비하면 빠른 생산 속도를 유지할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 각형도 원통형과 마찬가지로 젤리 롤을 케이스에 삽입한 후에 용접하여 제조한다. 그 뒤에 전해액을 주입한다.

각형 전지의 단점으로는 사각형의 형태로 전극과 분리막이 권취되므로, 직선 부분과 곡선 부분에서 전극의 저항 및 양극 대비 음극의 면적의 차이가 발생하기 때문에 전극이 고르게 반응하지 못하게 되어 장기간 사용 시에 젤리 롤이 뒤틀어지는 경우가 발생할 수 있다. 또한 내부에 가스가 차서 내압이 발생하게 되면 넓은 면적 부위에 더 큰 힘이 가해져 두께 방향으로 부피 증가가 쉽게 발생하는 문제점을 지니고 있다.

다. 파우치형 전지

파우치형 전지란 전지의 외형에 금속으로 된 케이스를 사용하지 않고 얇은 파우치를 외장재로 사용한 전지를 의미하며, 일반적으로는 리튬 폴리머 전지를 지칭하게 된다. 파우치는 얇은 금속박에 고분자가 코팅된 것이며, 고분자만으로는 수분의 차단에 한계가 있어서 금속의 치밀한 구조를 이용하여 전지 내부로 수분의 침투를 억제하기 위하여 사용된다. 금속박은 여러 종류가 가능하지만, 일반적으로 알루미늄을 사용하고 있는데, 알루미늄이 전기화학적으로 비교적 안정하고 가벼우며 가공이 쉽기 때문이다.

파우치는 알루미늄 포일에 내부에는 캐스팅된 PP(cast poly propylene) 층을 코팅하여, 화학적으로 안정하고, 열융착이 가능하도록 설정하고 외부에는 나일론 또는 PET(polyethylene terephthalate)를 라미네이션(lamination) 하여 기계적 강도 및 외부 충격에 대한 저항성을 부여하게 된다. 파우치를 사용하여 제조된 전지의 경우에는 금속의 케이스를 사용하지 않기 때문에 만일의 사태에 발화, 폭발이 발생하더라도 외관이 터져나가지 않고 찢어지는 형태로 폭발하므로 주변의 피해를 최소화할 뿐만 아니라 내압이 일정 이상 차면 파우치가 부풀고 융착 부위가 벌어지기 때문에 대형 폭발까지 진행되는 안전사고를 완화할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 일반적인 사용 시에 파우치의 융착 부위로 수분이 침투할 가능성이 금속 케이스를 사용하는 원통형 전지 및 각형 전지보다 높아서 전지 수명에 대한 우려가 존재한다.

파우치 내부에는 권취하여 제조된 젤리 롤을 사용하는 권취형이 있고, 일정한 크기로 절단된 전극을 적층 하여 만들어진 전지 조립체를 삽입하는 적층형(stack)이 있다. 적층 하여 제조하는 것이 전극 반응을 균일하게 일으킬 수 있어 안정한 전지를 제조할 수 있으나, 권취형에 비하여 제조가 어렵다는 단점을 지니고 있다. 파우치형 전지의 제조공정은 회사별로 특허로 되어 있다. 전기자동차용 전지의 제조 방법으로 각광받고 있다.