🔍 [로봇 산업] 콘센트로부터의 해방

2차전지는 공장자동화와 산업용 로봇 분야에도 혁신을 가져왔다. 이제 로봇은 콘센트와 전선으로부터 자유로워져 강력한 이동능력을 갖추게 됐다. 특히 물류 분야에선 2차전지 탑재 로봇에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 물류 창고나 항만에서 물건을 내리고, 찾고, 포장하는 로봇 외에도 위치 추적 기능을 활용해 식당에서 손님에게 음식을 가져다주는 AMR(Autonomous Mobile Robot)이나 AI를 기반으로 주변 환경을 스스로 감지∙반응해 고객의 집 바로 앞까지 물건을 배송해 주는 라스트마일 딜리버리 로봇(Last Mile Delivery Robot) 등 2차전지를 탑재한 로봇이 속속들이 등장하고 있다. 2차전지의 발전 덕분에 로봇들은 콘센트에서 해방될 수 있었고, 이는 산업용 로봇 시장에 새로운 활력을 불어넣고 있다.

| 2차전지는 트랜스포머? 다양한 폼팩터(Form factor)

다양한 형태의 2차전지

귀에 쏙 들어가는 무선이어폰용 2차전지와 대형자동차를 움직이는 2차전지는 똑같이 ‘2차전지’라는 이름표를 달고 있어도 그 모양과 특성이 다르다. 배터리가 장착될 기기 내 공간의 크기, 배터리의 에너지밀도 및 용량 등에 따라 배터리 크기와 모양이 제각각 달라지기 때문이다. 특히 전기차 배터리의 경우, 여러 개의 배터리 셀(Cell)을 하나의 팩(Pack)으로 묶어 탑재하는 경우가 많은데, 이 역시 제조사마다 각기 다른 형태를 채택하고 있다. 그렇다면, 배터리 폼팩터(형태)별 특징은 무엇일까?

■ 전지 형태의 클래식 – 원통형(Cylindrical) 배터리

일상에서 흔히 접하는 건전지와 유사한 금속 원기둥 모양으로, 가장 전통적인 배터리 형태다. 2차전지의 핵심 요소인 양극, 음극, 분리막을 젤리롤 방식으로 돌돌 말아 둥근 원통에 넣고 전해질을 채운 뒤 밀봉한다. 생산 비용이 저렴하고 대량 생산이 가능하며 안정적인 수급이 가능하다. 또한, 부피당 에너지 밀도가 높은 편이다. 하지만 다른 형태에 비해 용량이 상대적으로 작고 수명이 짧다. 이로 인해 원통형 배터리를 전기차에 탑재하기 위해선 여러 개의 배터리를 하나로 묶어야 해 시스템 구축 비용이 많이 든다.

■ 각 잡고 에너지 뿜뿜 – 각형(Prismatic) 배터리

알루미늄 캔 안에 양극, 음극, 분리막 등을 쌓아 돌돌 만 젤리롤을 차곡차곡 넣어서 만드는 ‘각 잡힌’ 배터리로, 납작하고 네모난 상자 모양을 띤다. 둥근 모양의 젤리롤을 사각 케이스에 넣고 전해질을 주입해 만들기 때문에 내부 공간 활용도가 낮다는 단점이 있지만, 알루미늄 캔에 둘러싸인 덕분에 외부 충격에 강하고 내구성이 뛰어나다. SK온은 ‘인터배터리 2023’에서 시제품 개발을 완료한 각형 배터리 실물 모형을 최초 공개한 바 있다. SK온의 각형 배터리는 빠른 충전 속도를 특징으로 꼽는다.

■ 연성(延性) 필름 주머니 속으로 들어간 전지 – 파우치형(Pouch) 배터리

부드러운 필름 주머니에 담긴 형태로 외관이 단단하지 않아 다양한 크기와 모양으로 제작할 수 있다는 장점을 가진다. 원통형, 각형 배터리와 달리 젤리롤을 사용하지 않고 음극, 양극, 분리막 등 소재를 층층이 쌓아 올릴 수 있어 내부 공간을 꽉 채울 수 있다. 이로 인해 배터리 내부 공간 효율이 높아져 에너지밀도가 높다. 뿐만 아니라 가공이 쉽기 때문에 형태의 제약이 적어 얇고 넓은 배터리를 만드는 데 유리하다. 이러한 장점으로 전기차 제조사가 요구하는 다양한 형태의 배터리를 만들 수 있다.

파우치형 배터리를 전문적으로 생산하는 SK온은 ‘인터배터리 2024’에서 어드밴스드 SF(Super Fast, 급속충전) 배터리를 공개해 현장 관람객들의 이목을 집중시켰다. SF 배터리는 SK온이 2021년 처음 공개한 하이니켈 배터리로, 18분 만에 셀 용량의 10%에서 80%까지 충전할 수 있다. 어드밴스드 SF 배터리는 기존 SF 배터리보다 에너지 밀도는 9% 높이면서 급속충전 시간은 유지했다. 에너지밀도가 높을수록 많은 에너지를 저장할 수 있어 1회 충전 시 주행거리가 늘어난다.

■ 동전처럼 동글 납작 – 코인 셀(Coin Cell) 배터리

작은 동전(Coin) 모양의 배터리인 코인 셀은 무선이어폰과 같은 웨어러블 디바이스 및 소형 의료기기 등 작은 전자기기의 주요 부품이다. 배터리 크기가 작아진다는 것은 줄어든 부피 안에 배터리의 핵심 소재들을 모두 담으면서도 안정적으로 작동해야 한다는 걸 의미한다. 최근 각종 웨어러블 디바이스의 기능이 고도화됨에 따라 전력 요구량도 늘어나게 됐고, 이로 인해 코인 셀의 에너지밀도를 높이려는 노력이 계속되고 있다.

우리 삶의 질을 획기적으로 높인 숨은 주역, 2차전지의 다음 발걸음은 어디로 향할까? 지금보다 더욱 높은 안전성과 에너지밀도를 지닌 배터리, 그 너머가 아닐까? 단순히 삶의 편의성을 넘어 우리의 이동방식, 생활패턴, 인프라를 혁신적으로 바꾸고 기후변화라는 전 세계적 공동 이슈에 대응하기 위한 인류의 노력은 전고체 배터리를 비롯한 차세대 배터리의 개발로 이어진다. 이러한 기술 혁신은 단순한 성능 향상을 넘어, 지속가능한 미래를 위한 핵심 열쇠가 될 것이다!