파우치셀 전기차 배터리의 혁신: CTP, CTC, CTB 기술 완전 가이드

전기차 성능 향상을 위한 배터리 혁신 기술들이 지속적으로 발전하고 있습니다. 특히 배터리 셀을 팩으로 구성하는 방식에서 모듈화 단계를 생략하거나 차체와 직접 통합하는 기술들이 주목받고 있습니다. 이 글에서는 파우치셀을 적용할 때 셀투팩(CTP), 셀투섀시(CTC), 셀투바디(CTB)로 구성하는 방법과 각 기술의 특징에 대해 상세히 알아보겠습니다.

배터리 팩 기술의 기본: 셀, 모듈, 팩 구조의 이해

전통적인 전기차 배터리는 '셀(Cell) → 모듈(Module) → 팩(Pack)'의 3단계로 구성됩니다. 셀은 양극/음극/분리막/전해액을 알루미늄 케이스에 넣어 만든 배터리의 기본 단위로, 파우치형, 원통형, 각형 등 다양한 형태가 있습니다. 일반적으로 전기차에는 약 100여 개의 셀이 사용되며, 10여 개의 셀을 하나의 모듈로 묶습니다. 모듈은 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 프레임에 넣은 조립체입니다. 여러 개의 모듈을 하나의 팩으로 조립한 뒤 전기차에 장착하게 됩니다. 배터리 팩은 모듈에 BMS(배터리 관리 시스템), 냉각 시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착한 배터리의 최종 형태입니다.

이러한 전통적인 구조에서는 셀 10~20개가 1개의 모듈로 묶이고, 모듈 8~40개가 배터리 팩으로 완성됩니다. 하지만 이 방식은 모듈 케이스가 차지하는 공간이 있어 에너지 밀도를 극대화하는 데 한계가 있습니다.

셀투팩(CTP) 기술: 모듈을 생략한 배터리 구조의 혁신

셀투팩(Cell to Pack, CTP) 기술은 배터리 셀을 모듈화하지 않고 바로 팩으로 제조하는 기술입니다. 이는 배터리 셀을 패키지 형태로 만드는 과정에서 모듈의 비중을 크게 줄여 패키지 내부에 더 많은 배터리 셀을 배치하는 방식입니다. CTP 방식은 셀에서 바로 팩으로 이어지는 설계 기술로, 모듈을 없애면 공간을 더 확보해 에너지 밀도를 높이고 부품 수도 줄어들어 비용 절감 효과가 커집니다.

CTP 기술을 적용하면 모듈 케이스가 차지하는 공간까지도 셀로 채워 넣을 수 있습니다. 즉, 팩 내부의 '죽은 공간(데드 스페이스)'을 최소화해 추가로 셀을 넣을 공간을 확보할 수 있어 에너지 밀도와 용량을 높일 수 있습니다. 업계에 따르면, CTP 방식으로 배터리 제조 시 사용되는 부품 수는 40% 정도 줄고, 공간 활용률은 15% 이상 향상될 수 있습니다.

파우치형 CTP 배터리의 제조 공정과 특징

파우치형 배터리는 무게가 가볍고 적층 시 데드 스페이스가 적다는 장점이 있습니다. 파우치형 CTP 배터리의 제조 과정은 다음과 같습니다:

1. 먼저 각각 하나 또는 적층된 둘 이상의 파우치형 배터리 셀을 배열하고, 측면에 압축 패드를 부착합니다.
2. 이렇게 배열된 배터리 셀들을 버스바(Busbar)를 통해 전기적으로 연결합니다.
3. 이를 감싸는 셀 커버를 씌워 하나의 셀 유닛(Cell Unit)을 만듭니다. 이때 셀 커버는 외부의 충격 등으로부터 파우치형 배터리 셀들을 보호하고, 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있게 합니다.
4. 셀 유닛들이 만들어지고 나면, 팩 케이스에 써멀 레진(Thermal Resin)을 도포한 후 셀 유닛들을 배치합니다. 써멀 레진을 활용하면 팩 케이스와 바닥판 간의 열전달율을 높여, 배터리 셀들에 대한 냉각 효율을 증대시킬 수 있습니다.
5. 이러한 과정들이 진행되고 나면 탑재된 배터리의 여러 가지 데이터를 측정하고 제어하는 BMS(Battery Management System)를 장착합니다.

파우치형 CTP를 효과적으로 구현하기 위해서는 셀 자체를 크게 만든 롱셀을 사용하는 것이 유리합니다. 일반적인 파우치 셀보다 길이가 1.5배 이상 되는 롱셀을 두 개 직렬로 연결해 팩 용량만큼 배치하면 팩이 간소화됩니다. LG에너지솔루션의 파우치형 CTP는 각형 CTP에 비해 무게당 에너지 밀도를 약 5% 수준으로 높게 설계할 수 있는 장점이 있습니다.

파우치셀과 CTP 기술 적용의 장단점

파우치셀은 무게가 가볍고 가격이 저렴한 장점이 있으며, 적층 시 데드 스페이스가 적다는 특징이 있습니다. 그러나 각형이나 원통형 셀에 비해 외부 충격에 더 취약하기 때문에, CTP 기술 적용 시 특별한 보호 장치가 필요합니다.

CTP 기술의 장점은 다음과 같습니다:

1. 에너지 밀도 향상: 모듈이 차지하던 공간에 추가로 셀을 배치할 수 있어 동일한 부피에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
2. 비용 절감: 모듈 공정을 생략하면서 부품 수가 40% 정도 감소하여 제조 비용이 절감됩니다.
3. 무게 감소: 모듈 케이스와 관련 부품이 없어져 전체적인 배터리 무게가 감소합니다.

반면, CTP 기술의 단점은 다음과 같습니다:

1. 안전성 과제: 셀을 고정하고 보호해주는 모듈이 없기 때문에 충격에 약할 수 있습니다.
2. 열 관리 복잡성: 모듈 없이 셀을 직접 팩에 배치하므로 효율적인 열 관리 시스템이 필요합니다.

파우치형 CTP 기술은 이러한 단점을 극복하기 위해 셀 커버와 압축 패드 등의 보호 장치를 사용하고, 써멀 레진을 통한 열 관리 시스템을 적용하고 있습니다.

셀투섀시(CTC) 기술: 배터리와 차체 구조의 통합

셀투섀시(Cell to Chassis, CTC) 기술은 배터리 셀을 자동차 섀시에 직접 통합하는 기술로, CTP보다 한 단계 더 진화한 형태입니다. 이 기술은 배터리 팩까지도 생략하고, 배터리 셀을 차량의 섀시(차대)에 직접 결합합니다. CTC 기술의 목표는 배터리를 차량 구조물의 일부로 활용하여 무게를 줄이고 에너지 밀도를 높이는 것입니다.

테슬라는 2020년 '구조화 배터리(Structural Battery)'라는 이름으로 CTC 기술을 처음 공개했습니다. 테슬라의 CTC 솔루션은 배터리 팩의 상부 커버나 운전석 바닥을 제거하고, 케빈 빔과 내부 시트를 배터리 팩에 통합한 방식을 사용했습니다. 이를 통해 무게를 10% 가량 줄이고, 주행거리를 14% 향상시켰으며, 약 370개의 부품을 줄일 수 있었습니다.

CTC 기술의 가장 큰 장점은 차체와 배터리가 하나의 구조물로 일체화됨에 따른 무게 절감과 구조적 안정성 강화입니다. 배터리 팩이 차체와 결합되어 있어 전기차가 주행 중 받는 외부 충격에 더 잘 견딜 수 있으며, 충돌 사고 발생 시 배터리가 직접적으로 충격을 받지 않도록 차체가 보호 역할을 수행할 수 있습니다.

파우치셀을 활용한 CTC 구현 방법

파우치셀을 CTC 구조에 적용하기 위해서는 다음과 같은 방법을 고려할 수 있습니다:

1. 파우치셀 강화 설계: 파우치셀은 각형이나 원통형 셀에 비해 외부 충격에 취약할 수 있으므로, 차체에 직접 통합 시 추가적인 보호 구조가 필요합니다. 파우치셀 외부에 강화된 프레임을 적용하거나, 차체 설계 단계에서 충격 흡수 구조를 고려해야 합니다.
2. 열 관리 시스템 통합: 파우치셀을 차체와 일체화할 때 효율적인 열 관리가 중요합니다. 차체가 열을 직접적으로 흡수해 방출할 수 있는 구조로 설계하여, 별도의 냉각 장치 없이도 열 관리를 효율적으로 할 수 있도록 해야 합니다.
3. 차체 설계 최적화: 파우치셀이 차체의 일부로 기능할 수 있도록 차체 설계를 최적화해야 합니다. 이는 파우치셀의 배치 패턴, 연결 방식, 지지 구조 등을 포함합니다.

파우치셀을 이용한 CTC 기술은 아직 상용화 단계는 아니지만, 여러 배터리 제조사와 자동차 회사들이 연구 개발을 진행하고 있습니다. 특히 차체와 배터리 셀을 통합하는 방식을 표준화하는 공정 개발이 중요한 과제로 남아있습니다.

셀투바디(CTB) 기술: 배터리와 차체 바디의 완전한 통합

셀투바디(Cell to Body, CTB) 기술은 BYD가 제안한 배터리 통합 기술로, Body-in-White에서 Battery-In-Body로의 진화를 이룹니다. 배터리 팩을 설계하고 제조할 때 배터리 시스템을 본체와 전체적으로 통합하며, 이 시점에서 블레이드 배터리는 배터리 역할뿐만 아니라 섀시 역할도 일부 담당합니다.

CTB 구조는 두 개의 강철 시트 사이에 샌드위치 코어를 넣어 배터리 팩을 견고하게 지지하고 전단응력을 증대합니다. 테슬라의 구조용 배터리팩인 셀투바디 구조는 중국 배터리 기업인 CATL의 셀투팩(cell to pack)보다 한 단계 진전된 기술입니다.

CTB 기술은 CTP 구조보다 열 관리에 유리하고, 크기는 10% 줄이며, 주행거리는 14% 늘리는 효과가 있습니다. 또한 약 370개의 부품을 줄일 수 있어 생산 효율성이 높아집니다.

파우치셀을 활용한 CTB 구현 방법

파우치셀을 CTB 구조에 적용하기 위한 방법은 다음과 같습니다:

1. 구조적 통합 설계: 파우치셀이 차체 바디의 구조적 일부가 될 수 있도록 설계합니다. 이는 파우치셀이 차체의 강성과 강도에 기여할 수 있는 방식으로 배치되어야 합니다.
2. 샌드위치 구조 적용: 파우치셀을 두 개의 강철 시트 사이에 샌드위치 형태로 배치하여 구조적 강도를 확보합니다. 이 구조는 배터리 팩을 견고하게 지지하고 전단응력을 증대시킵니다.
3. 블레이드 배터리 형태 응용: BYD의 블레이드 배터리 개념을 응용하여, 파우치셀을 길고 얇은 형태로 설계해 차체 바디에 효율적으로 통합할 수 있습니다.
4. 차체 바디와의 결합 최적화: 파우치셀과 차체 바디를 결합하는 방식을 최적화하여 진동, 충격, 열 등의 외부 요인에 대한 저항성을 높입니다.

CTB 기술은 배터리를 단순한 에너지 저장 장치가 아닌 차량 구조의 핵심 요소로 변화시킵니다. 이는 전기차의 설계 패러다임을 완전히 바꾸는 혁신적인 접근 방식입니다.

국내외 배터리 업체들의 CTP, CTC, CTB 기술 개발 현황

국내외 배터리 업체들은 CTP, CTC, CTB 기술 개발에 적극적으로 나서고 있습니다. 현재의 기술 개발 현황을 살펴보면 다음과 같습니다:

1. LG에너지솔루션: 파우치형 배터리에 CTP 기술을 최초로 적용하여 주목받고 있습니다. 2024년 르노에 공급하는 LFP 파우치형 배터리에 CTP 기술을 적용하기로 계약을 맺었습니다. LG에너지솔루션의 CTP 공정 혁신을 통해 기존 MTP(Module to Pack) 대비 공정 수를 상당 부분 축소할 계획입니다.
2. 삼성SDI: 2024년 3월 '인터배터리 2024'에서 CTP 기술을 공개했습니다. 삼성SDI의 CTP는 부품 수를 35% 이상, 무게는 20% 가량 줄였습니다. 동일한 부피에서 고에너지 밀도와 혁신적인 비용 절감 효과를 구현할 수 있습니다.
3. SK온: 모듈 수를 최소화한 기술을 적용 중이며, 향후 셀을 팩으로 바로 연결하는 기술을 개발 중입니다.
4. CATL(중국): 2019년 CTP 배터리를 세계 최초로 양산한 데 이어 2022년 3세대 CTP 배터리를 선보였습니다. CATL의 3세대 CTP는 배터리 팩의 부피 활용도를 72%까지 높였고, 에너지 밀도는 kg당 255와트시(Wh)를 기록했습니다. 또한 CTC 기술도 개발 중이며, 트럭 몸체인 브래킷에 부착할 수 있는 모듈투브래킷(MTB) 기술도 갖추고 있습니다.
5. BYD(중국): CTB 기술을 개발하여 블레이드 배터리 형태로 차체와 통합하는 방식을 추진하고 있습니다.
6. 테슬라: 2020년 '구조화 배터리(Structural Battery)'라는 이름으로 CTC 기술을 공개했으며, 모델Y 설계 시 배터리 팩을 자동차 구조물의 일부로 활용했습니다.

CTP, CTC, CTB 기술의 비교와 각 기술의 적합한 사용 환경

각 기술의 특징과 적합한 사용 환경을 비교해보면 다음과 같습니다:

1. CTP (Cell to Pack):
   • 특징: 모듈 단계를 생략하고 셀을 직접 팩에 통합
   • 장점: 에너지 밀도 향상(약 15%), 부품 수 감소(약 40%), 비용 절감
   • 단점: 모듈 없이 셀을 보호해야 하는 과제 존재
   • 적합한 환경: 대량 생산을 통한 비용 절감이 중요한 중저가 전기차, 에너지 밀도가 낮은 LFP 배터리를 사용하는 전기차
2. CTC (Cell to Chassis):
   • 특징: 배터리 셀을 차량 섀시에 직접 통합
   • 장점: 무게 감소(약 10%), 주행거리 향상(약 14%), 구조적 안정성 강화
   • 단점: 배터리 수리 및 교체 어려움, 차량 설계와의 높은 통합성 요구
   • 적합한 환경: 높은 수준의 수직 통합이 가능한 자체 배터리 생산 능력을 갖춘 자동차 제조사, 주행거리 극대화가 필요한 고성능 전기차
3. CTB (Cell to Body):
   • 특징: 배터리 시스템을 차체 바디와 전체적으로 통합
   • 장점: 열 관리 유리, 크기 10% 감소, 주행거리 14% 향상, 부품 수 감소
   • 단점: 복잡한 설계 과정, 높은 수준의 제조 기술 요구, 수리 난이도 증가
   • 적합한 환경: 배터리와 차체 제조를 모두 통제할 수 있는 통합 제조사, 경량화와 공간 효율성이 중요한 프리미엄 전기차

파우치셀은 무게가 가볍고 형태 자유도가 높아 다양한 설계가 가능하므로, 특히 공간 활용이 중요한 CTP 기술에 적합합니다. 그러나 외부 충격에 취약한 단점이 있어 CTC나 CTB 적용 시에는 추가적인 보호 구조가 필요합니다.

전기차 배터리 팩 기술의 미래 전망과 과제

전기차 배터리 팩 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 미래 전망과 해결해야 할 과제는 다음과 같습니다:

1. 기술 통합 추세: CTP에서 CTC, CTB로 발전하는 배터리 통합 기술은 계속해서 진화할 것으로 예상됩니다. 특히 전기차가 내연기관차를 완전히 대체하기 위해서는 주행거리 확보가 중요하며, 이를 위해 배터리 팩 기술의 혁신이 필수적입니다.
2. 안전성 확보: 모듈이나 팩을 생략하고 셀을 직접 통합하는 방식에서는 안전성 확보가 가장 큰 과제입니다. 특히 파우치셀을 사용할 경우, 외부 충격과 열에 대한 보호 시스템 개발이 중요합니다.
3. 열 관리 기술: 배터리 셀이 차체와 통합될 때 효율적인 열 관리가 필수적입니다. 차체를 통한 열 방출 시스템 개발이 중요한 과제입니다.
4. 수리 및 재활용 문제: 배터리를 차체와 통합하면 수리나 배터리 교체가 어려워집니다. 또한 10년 정도 수명이 지난 배터리를 재활용하거나 재사용하기도 어려워집니다. 이를 위한 설계적 해결책이 필요합니다.
5. 표준화 과제: 전기차 모델마다 차체와 배터리 셀을 통합하는 방식이 다를 수 있어, 이를 표준화하는 공정 개발이 중요한 과제로 남아있습니다.
6. 전고체 배터리와의 연계: 미래에는 전고체 배터리와 CTC, CTB 기술의 조합도 가능할 것으로 전망됩니다. 전고체 배터리는 화재 위험성이 낮고 수명이 길어 통합 구조에 유리하지만, 자체 밀도가 크기 때문에 에너지 밀도를 높이려는 CTC 기술을 적용해야 할 이유가 줄어들 수도 있습니다.

결론: 파우치셀 배터리의 통합 기술이 가져올 전기차의 미래

파우치셀을 CTP, CTC, CTB 기술에 적용하는 것은 전기차 배터리 기술의 새로운 지평을 열고 있습니다. 이러한 기술들은 전기차의 주행거리를 늘리고, 무게를 줄이며, 제조 비용을 절감하는 데 큰 기여를 할 것으로 예상됩니다.

특히 파우치셀은 무게가 가볍고 형태의 자유도가 높아 다양한 설계가 가능하다는 장점이 있어, 이러한 통합 기술에 적합한 면이 있습니다. 그러나 외부 충격에 취약한 단점을 보완하기 위한 추가적인 보호 구조와 열 관리 시스템이 필요합니다.

현재 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 업체들도 CTP 기술 개발에 적극적으로 나서고 있으며, 특히 LG에너지솔루션이 파우치형 CTP 배터리를 르노에 공급하기로 한 것은 큰 진전입니다.

향후 전기차 배터리 기술은 단순히 에너지를 저장하는 장치에서 벗어나, 차량의 구조적 일부로 기능하는 방향으로 발전할 것으로 예상됩니다. 이는 전기차 설계의 패러다임을 완전히 바꾸며, 더 가볍고, 더 멀리 갈 수 있는 전기차 시대를 앞당길 것입니다.

파우치셀 기반의 CTP, CTC, CTB 기술 개발은 아직 진행 중이지만, 이러한 혁신적인 기술들이 성공적으로 상용화된다면 전기차의 대중화와 내연기관차 대체에 크게 기여할 것입니다.