차세대 배터리 기술, CTP(Cell to Pack)에 대해 아시나요?

차세대 배터리 기술, CTP(Cell to Pack)에 대해 아시나요?

대학생신재생에너지기자단 21기 곽서영

 

2023년 소재부품 기술 개발사업 신규 지원과제

[자료 1. 주력산업 공급망 안정화 주요 과제]

출처: 기계신문

지난 2월 7일, 산업통상자원부는 2023년 소재부품 기술 개발사업 96개 과제 525억 원 규모의 신규 지원 과제를 공고했다. 신규 과제 주요 특징을 보면, 우선 이차전지, 공정용 소재∙부품, 전기차 등 주력산업 공급망 안정화를 흔들림 없이 추진한다. 구체적으로, 주력산업 공급망 안정화를 위해 21개 과제, 134억 원을 신규 지원한다. 주요 과제로는 리튬인산철 전지용 친환경 양극 소재∙전해액∙셀, 이차전지 제조용 리튬 고내식성 내화 세라믹 소재 및 부품, 차량용 열관리 접착제 및 Cell to Pack 배터리 시스템 등 기술 개발을 지원한다. 그중에서도 최근 주목받고 있는 배터리 트렌드 중 하나인 Cell to Pack 기술에 대해 알아보고자 한다.

 

셀(Cell)-모듈(Module)-팩(Pack)

우선 Cell to Pack(CTP) 기술에 대해 알기 위해서는 전기차 배터리가 ‘셀(Cell)-모듈(Module)-팩(Pack)’ 단위로 구성된다는 것을 알아야 한다.

[자료 2. 배터리 셀-모듈-팩]

출처: 뉴스락

셀은 파우치형, 원통형, 사각형 등 케이스로 제작된 배터리 기본 형태를 말한다. 전기에너지를 충전/방전해 사용할 수 있는 배터리의 기본 단위로 양극/음극/분리막/전해액을 알루미늄 케이스에 넣어 만든다. 모듈은 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 프레임에 넣은 조립체다. 배터리 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체다. 팩은 배터리 모듈에 BMS, 냉각 시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착한 배터리의 최종 형태를 의미한다. 즉, 전기차에 탑재되는 배터리는 ‘셀(Cell)->모듈(Module)->팩(Pack)’ 단위를 거쳐 완성된다.

 

Cell to Pack(CTP)

Cell to Pack(CTP) 기술은 배터리 셀을 패키지 형태로 만드는 과정에서 모듈의 비중을 크게 줄여 패키지 내부에 더 많은 배터리 셀을 배치하는 기술이다. 실제로 전기차에는 100여 개의 셀이 들어가며, 10여 개의 셀을 하나의 모듈로 묶는다. 이렇게 만들어진 여러 개의 모듈을 하나의 팩으로 조립한 뒤 전기차에 넣는데, 여기서 CTP 방식은 셀에서 바로 팩으로 이어지는 설계 기술이다. 이렇게 모듈을 없애면 공간을 더 확보해 에너지 밀도는 높아지고, 부품 수도 줄어들어 비용 절감 효과도 커진다. 업계에 따르면, CTP 방식으로 배터리 제조 시 사용되는 부품 수는 40% 줄고, 공간 활용률은 15%~20% 향상된다. 만드는 방식도 간단해져 시간당 생산량도 대폭 오른다. 모듈 과정이 생략된 만큼 팩 강도를 강하게 해야 하고, 배터리 관리 시스템(BMS) 등을 무선으로 연결하는 고난도 기술이 필요하다.

[자료 3. CATL의 CTP 기술 적용]

출처: M 투데이

CTP 기술 분야 선도 기업은 CATL이다. CATL은 무겁고 부피가 큰 리튬·인산·철(LFP) 배터리의 단점을 상쇄하기 위해 CTP 기술을 적용했다. LFP 배터리는 삼원계 배터리보다 가격이 약 30% 저렴하고, 안정성도 삼원계 배터리보다 높아 화재가 일어날 확률이 낮다는 장점을 가지고 있다. 그러나 에너지 밀도가 낮고 동일 크기 대비 무게가 무거워 차량 주행거리가 줄어든다는 단점이 있다. 중국은 이러한 LFP 배터리의 단점을 보완하기 위해 끊임없이 노력한 결과, CTP(Cell to Pack) 기술을 개발한 것이다.

 

LG에너지솔루션의 CTP 기술 적용

LG에너지솔루션이 업계 최초로 하이 니켈 파우치형 배터리에 CTP 기술을 적용했다. 최승돈 LG에너지솔루션 자동차 전지 개발 센터장(전무)은 서울 강남구 한국과학기술회관에서 열린 배터리 콘퍼런스 'KABC 2022'에서 "하이 니켈 파우치형 배터리에 셀투팩 공정을 적용할 계획"이며 "오는 2025년 양산을 목표로 한다"고 말했다. 또한 “파우치형에 CTP를 적용하면 각형 대비 무게 우위를 다시 찾을 수 있다”며, “이미 에너지 밀도는 앞서 있고 가격 차이도 줄어들게 될 것”이라 강조했다. NCM(니켈∙코발트∙망간) 등 삼원계 배터리는 통상 LFP 배터리보다 더 가볍고 효율이 높은 점이 특징인데, CTP 공정을 적용하면 무게를 더 낮출 수 있어 전비 경쟁력을 보다 강화할 수 있을 것으로 예상된다.

[자료 4. LG에너지솔루션의 CTP 기술 적용]

출처: M 투데이

CTP 기술을 적용하면 모듈이 없어지는 만큼 셀을 더 배치할 수 있기 때문에, 전기차의 1회 주행거리가 400~500㎞에서 700~800㎞로 늘어난다. 또한 전기를 저장하는 셀의 비중이 50%에서 70%로 늘어나는데, 최 전무는 "(셀이 더 늘어나면 충전 시간이 더 걸리는 문제에 대해서는) 실리콘 음극재 등을 적용해 해결하려 한다"고 덧붙였다.

 

CTB(Cell to Body)

[자료 5. 전기차 구조]

출처: 디일렉

전기차 시장이 급증함에 따라 전기차의 핵심인 배터리에 많은 이목이 쏠리고 있다. 그중에서도 최근 CTP 기술이 뜨거운 시장 이슈로 부각됨에 따라 앞으로 많은 배터리 사에서 CTP 기술을 적용한 배터리를 생산할 것으로 기대된다. 한 완성차 업계 관계자는 "배터리팩 모듈을 줄이면 그만큼 공정을 최소화하고 모듈의 빈자리에 배터리를 추가할 수 있다"며 "지금의 전기차는 경량화와 공정 단가 절감에 힘쓰고 있는데, 셀투팩과 모듈리스 배터리 기술은 배터리팩 내부 공간 활용도를 높여 셀을 하나라도 더 끼워 넣을 수 있다"고 말했다.

CTP 기술을 넘어 최종적으로는 팩 과정까지 생략해 직접 차체에 셀을 부착시키는 CTB(Cell to Body) 기술로 도달하기 위해 연구가 끊임없이 이루어져야 할 것이다.

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전기차 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "도로에 미세플라스틱 뿌리는 전기 자동차", 23기 김경훈, 송태현, https://renewableenergyfollowers.org/4106

도로에 미세플라스틱 뿌리는 전기 자동차

2. "[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?", 23기 김용대, https://renewableenergyfollowers.org/4110

[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?

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참고문헌

[2023년 소재부품 기술 개발사업 신규 지원과제]

1) 권혁재, “Cell to Pack 배터리시스템 등 ‘2023년 소재부품기술개발사업’ 신규 지원과제 발표”, 기계신문, 2023.02.07, http://www.mtnews.net/news/view.php?idx=15415

 

[셀(Cell)-모듈(Module)-팩(Pack)]

1) 강동완, “[이슈로 본 아리송한 용어 ㊴ 전기차 배터리의 모든 것] 전기차 배터리, 그 안의 작은 세포들”, 뉴스락, 2023.04.19, http://www.newslock.co.kr/news/articleView.html?idxno=74353

 

[Cell to Pack(CTP)]

1) 류정, 윤형준, “현대차 물량 휩쓴 中 배터리업체, 머스크도 놀란 기술 갖고 있었다”, 조선일보, 2021.02.23,  https://www.chosun.com/economy/auto/2021/02/22/MLSFF7BXS5AWBA5ZUMOOKBBO4I/?utm_source=naver&utm_medium=referral&utm_campaign=naver-news

2) 박찬웅, “[이차전지 산업의 명암②] 뻥 뚫린 고속도로에 너도나도 진입 중”, 일요신문, 2023.04.04, https://ilyo.co.kr/?ac=article_view&entry_id=449455

3) 원호연, “현대모비스, 셀투팩 기술 이용 ...전기차 주행거리 확~ 늘린다”, 헤럴드경제, 2021.10.28,  http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20211028000597

4) 이광영, ““CATL 잡을 新공정” LG엔솔 ‘하이니켈 파우치 배터리’에 셀투팩 적용”, IT조선, 2022.09.22,  https://it.chosun.com/site/data/html_dir/2022/09/22/2022092200541.html

 

[LG에너지솔루션의 CTP 기술 적용]

1) 이광영, ““CATL 잡을 新공정” LG엔솔 ‘하이니켈 파우치 배터리’에 셀투팩 적용”, IT조선, 2022.09.22,  https://it.chosun.com/site/data/html_dir/2022/09/22/2022092200541.html

2) 최태인, ““中 CATL LFP 배터리 대항” LG엔솔, 모듈 단계 없앤 ‘CTP 파우치 배터리’ 공개”, M투데이, 2022.09.21,  https://www.autodaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=436930

 

[CTB(Cell to Body)]

1) 강동완, “[이슈로 본 아리송한 용어 ㊴ 전기차 배터리의 모든 것] 전기차 배터리, 그 안의 작은 세포들”, 뉴스락, 2023.04.19, http://www.newslock.co.kr/news/articleView.html?idxno=74353

2) 이민우, “폭스바겐·테슬라 완성차 꽂힌 셀투팩 기술 뭐길래”, IT조선, 2021.04.03,  https://it.chosun.com/site/data/html_dir/2021/04/02/2021040201899.html