바이폴라 배터리(Bipolar Battery), 직렬연결로 공간을 확보하는 차세대 배터리

바이폴라 배터리(Bipolar Battery), 직렬연결로 공간을 확보하는 차세대 배터리

대학생신재생에너지기자단 23기 신지연

 

가격은 낮추고 공간 활용은 최대로, 진화하는 배터리 구조 설계

전기차의 주행거리 증가와 가격 경쟁력 확보를 위해 배터리 연구는 가격을 낮추고 공간을 확보하는 방향으로 이루어졌다. 

[자료 1. 배터리 팩 구조 설계의 발전 과정]

출처 : WALMATE

현재까지 배터리 가격을 하락시킨 핵심적인 기술은 CTP(Cell to Pack) 기술로, 기존의 셀(Cell)-모듈(Module)-팩(Pack) 구조에서 모듈을 없애며 공간을 확보하고 에너지 밀도를 높였다. 여기서 팩마저 생략한 CTC(Cell to Chassis) 기술까지 등장하며 부품 간소화를 통해 배터리 비용은 더욱 절감될 수 있었다.

최근에는 배터리 셀 외부의 구성을 줄이는 것을 넘어 셀 내부 간소화의 필요성이 대두되며 바이폴라 스태킹(Bipolar Stacking)이 새로운 설계 방식으로 떠오르기 시작했다. 이 방식을 적용한 바이폴라 배터리는 단위 셀의 직렬구조를 통해 부품 수를 1/5 수준까지 줄이고 공간 활용률을 향상할 수 있었다. 특히 안전성 및 에너지 밀도 측면에서 각광받는 전고체 배터리에 활용되며 다양한 기업이 연구 개발에 착수하고 있다.

따라서 본 기사에서는 바이폴라 배터리에 대해 소개하며, 핵심 기술과 전망에 대해 이야기해 보고자 한다.

 

바이폴라 배터리(Bipolar Battery)란?

바이폴라 배터리의 큰 차별점은 배터리의 직렬연결을 통해 공간 활용도를 높일 수 있다는 것이다.

[자료 2. 배터리 병렬연결과 직렬연결의 차이]

출처 : BATTERY INSIDE

기존의 배터리는 양극은 양극끼리, 음극은 음극끼리 연결한 후 이들을 다시 연결하는 병렬연결 방식을 취하고 있다. 배터리를 병렬연결하게 되면 전류가 여러 갈래로 흐르며 상대적으로 복잡한 구조를 가지게 된다.

한편 직렬연결 방식은 양극과 음극을 연결하여 전류가 하나의 길로 흐르며 보다 단순하고, 전압을 높일 수 있다. 바이폴라 배터리는 이 직렬구조를 통해 셀 구성을 단순화하고 고전압 전지를 구현할 수 있다.

[자료 3. 모노폴라 배터리와 바이폴라 배터리의 차이]

출처 : BATTERY INSIDE

이처럼 배터리 연결 방식에 따라 병렬연결 방식을 취하는 기존의 모노폴라(Monopolar) 배터리와 직렬연결 방식을 취하는 바이폴라(Bipolar) 배터리로 나뉜다.

모노폴라 배터리는 양극 및 음극 집전체 각각에 양극과 음극 슬러리를 도포하고, 모노 셀 단위로 용접한다. 병렬구조로 이루어진 독립적인 셀들을 외부에서 연결하여 직렬로 구성해야 하므로 전자 전달 경로가 길어지고, 높은 충·방전 조건에서 셀 발열 특성이 부위 별로 달라지는 문제를 가지게 된다.

반면 바이폴라 배터리는 하나의 집전체를 중간에 두고, 그 위와 아래에 각각 양극과 음극 슬러리를 도포한다. 하나의 큰 케이스 안에 바이폴라 셀을 구성하는 소재들을 층층이 쌓기만 하면 외부 연결선 없이 직렬연결 구조가 되므로 공간 활용률을 높일 수 있다. 또한 전자 전달이 수직 방향으로만 이루어지므로 저항이 감소하고 발열 특성이 균일하여 셀 발열 관리를 단순화할 수 있다. 적층된 전극 수에 따라 원하는 전압을 구현이 가능하며, 패킹 및 양극과 음극을 연결하는 부분을 상당수 줄여 더 높은 시스템 전압을 출력할 수 있게 된다.

즉 바이폴라 배터리는 셀 공간 활용률 향상 및 부품 간소화를 통해 에너지 밀도를 높이고, 공정이 간단해지며 제조 비용을 절감시킬 수 있다.

 

바이폴라 전극의 핵심, 복합 호일 집전체 클래딩

[자료 4. 바이폴라 전극]

출처 : SCHLENK

바이폴라 전극은 하나의 집전체에 양극과 음극이 모두 존재한다. 하나의 집전체 위와 아래에 양극과 음극이 각각 코팅된 구조다. 일반적인 전극은 양극 집전체인 알루미늄 위에 양극을 코팅하고, 음극 집전체인 구리 위에 음극을 코팅하여 하나의 집전체에 하나의 극이 존재하는 것과는 두드러지게 다른 것을 알 수 있다.

이렇게 하나의 집전체에 두 극이 모두 존재하기 위해서는 바이폴라 전극의 집전체로 '클래딩'을 사용해야 한다.

[자료 5. 클래딩]

출처 : QS Advanced Materials

클래딩은 알루미늄과 구리가 결합된 복합 호일이다. 이를 집전체로 적용하면, 양극 집전체로 사용되는 알루미늄 쪽에 양극을 코팅하고, 음극 집전체로 사용되는 구리 쪽에 음극을 코팅하여 하나의 집전체 위아래에 각각 양극과 음극을 코팅할 수 있다.

현재까지는 알루미늄과 구리를 결합하기 위해 구리를 도금한 알루미늄 호일이 사용되고 있는데, 주조와 압연을 결합 새롭게 개발된 공정으로 만들어진다. 클래딩은 제조할 때 알루미늄층을 깨트리더라도 구리와 알루미늄의 연결 부분이 분리되지 않도록 알루미늄과 구리의 층간 연결 정도를 100% 정도로 매우 강하게 만들어야 한다.

이렇게 구리와 알루미늄이 결합된 구조의 집전체를 사용함으로써 외부 터미널 없이 소재를 층층이 쌓는 것만으로도 직렬연결 구조를 구현할 수 있다. 부품 수를 줄여 구조가 단순화됨에 따라 전기 경로가 더 넓어 배터리 저항이 낮아지고, 이를 통해 더 큰 전류가 흐를 수 있어 기존 대비 두 배의 출력을 달성할 수 있다.

 

바이폴라 배터리 상용화를 위해 필요한 기술과 앞으로의 전망

배터리 셀 기업과 완성차 기업에서도 바이폴라 배터리 개발에 착수하고 있다. LG에너지솔루션은 반고체 및 전고체 배터리를 바이폴라 구조로 구현하기 위한 연구개발을 공식화했으며, 추후 대규모 양산까지 목표로 하고 있다. 도요타는 2021년 프리우스 C(아쿠아) 2세대에 최초로 바이폴라 니켈수소 배터리를 적용했다. 구형 아쿠아에는 니켈수소 배터리를 120셀밖에 탑재하지 못했으나, 바이폴라 배터리의 도입으로 168셀까지 늘어났으며 셀 당 출력은 1.5배로 증가시켰다. 또한 기존 520V로 구동되던 시스템이 580V로 작동하며 리튬 이온 배터리에 비해 저전력으로 작동해 연비에 불리했던 점을 개선했다.

이처럼 배터리와 전기차 성능 향상 및 가격 하락에 크게 기여할 수 있는 바이폴라 배터리지만, 아직까지는 기술적 난이도가 있어 추가적인 연구 개발이 필요한 상황이다. 단일 케이스 내에서는 전해질이 공유되면 안 되므로 한 쌍의 양극과 음극 사이에서만 전해질이 기능하도록 해야 한다. 누액이 생길 경우 단락이 발생할 수도 있기 어떤 종류의 전해질을 사용할 것인지가 바이폴라 배터리의 기술적 핵심이다. 따라서 전고체 배터리의 상용화가 바이폴라 배터리의 상용화를 이루어낼 수 있을 것이라는 전망도 나오고 있다.

아직까지는 양산하기 어려운 단계이지만, 전기차 캐즘을 극복하기 위한 원가 절감 및 구조 단순화에 효과적이라는 점에서 유용한 기술이라고 생각된다. 특히 차세대 배터리로 각광받고 있는 전고체 배터리와의 궁합이 좋아 다른 소재 및 기술과의 결합을 통해 더욱 성장할 수 있을 것으로 보인다. 바이폴라 배터리와 같은 새로운 기술을 통해 전기차 및 미래 모빌리티에 탑재될 안전하고 저렴한 고성능 배터리 개발에 한 걸음 더 나아가기를 기대해 본다.

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차세대 배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "차세대 배터리 기술, CTP(Cell to Pack)에 대해 아시나요?", 21기 곽서영, https://renewableenergyfollowers.org/4145

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

2. "이차전지, 리튬의 시대가 가고 마그네슘의 시대가 올 것인가?", 26기 강민석, https://renewableenergyfollowers.org/4644

이차전지, 리튬의 시대가 가고 마그네슘의 시대가 올 것인가?

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참고문헌

[가격은 낮추고 공간 활용은 최대로, 진화하는 배터리 구조 설계]

1) ETEKWARE, "파워 배터리 팩의 기술: CTP에서 CTC로", 2022.07.27, https://etekware.com/ko/ctp-ctc-battery-pack-technology/ 

2) WALMATE, "EV용 배터리 팩 쉘의 설계 및 개발 분석", 2024.04.30, https://www.walmate-cn.com/KO/blog/blog2/id-8185.html

[바이폴라 배터리(Bipolar Battery)란?]

1) BATTERY INSIDE, "[Game Changer Battery] 직렬 구조로 부품 수를 줄이고, 높은 공간 활용도를 확보할 수 있는 ‘바이폴라(Bipolar) 기술’", 2024.10.22, https://inside.lgensol.com/2024/10/game-changer-battery-%EC%A0%84%EA%B7%B9-%EC%A7%91%EC%A0%84%EC%B2%B4-%EC%9C%84%EC%95%84%EB%9E%98%EB%A1%9C-%EC%96%91-%EC%9D%8C%EA%B7%B9%EC%9D%84-%EC%9C%84%EC%B9%98%ED%95%9C-%EC%A7%81%EB%A0%AC/

[바이폴라 전극의 핵심, 복합 호일 집전체 클딩]

1) SCHLENK, "Roll clad foils for "bipolar" batteries", https://www.schlenk.com/markets-products/battery-industry/roll-clad-foils-for-bipolar-batteries

2) 엔지니어TV,  "바이폴라 스태킹 bipolar stacking", 2024.10.15, https://www.youtube.com/watch?v=d3ZAifAAooY

[바이폴라 배터리 상용화를 위해 필요한 기술과 전망]

1) 김태현, "토요타가 직접 개발..바이폴라 니켈수소 배터리 경쟁력은", CARGUY, 2023.07.12, https://www.carguy.kr/news/articleView.html?idxno=46252

2) 노해철, "[단독] LG엔솔, '꿈의 배터리' 바이폴라 개발 본격 착수", 서울경제, 2024.06.06, https://www.sedaily.com/NewsView/2DACZCFKPM