삼성SDI가 전기차용 차세대 배터리 기술개발을 위해 소재 및 양산 기술별로 세대 구분을 획정했다. 동일한 부피에서 높은 에너지 밀도를 높일 수 있거나 생산 효율이 높은 기술을 정의하고, 세대별로 양산 스케줄도 잠정 확정했다. 

1일 업계에 따르면 삼성SDI는 배터리 제조 방식 별로 ‘젠(Gen, Generation)’으로 구분해 양산 로드맵을 잠정 확정했다. 3세대까지는 작년에 생산됐고, 3세대보다 진보된 모델은 올해 이후 양산 로드맵이 결정됐다. 젠이라는 개념은 삼성SDI 개발팀에서만 사용하는 것으로 제품에 따로 세대를 표기하지는 않는다.

▲삼성SDI가 2017디트로이트 모터쇼에서 공개한 600km주행가능 배터리 셀. / 삼성SDI 제공

1세대를 의미하는 ‘젠1’은 기본적인 구조를 가진 배터리를 의미한다. 기존 배터리 셀 구조와 같이 와인딩(Winding) 방식을 사용한다. 활물질을 도포한 극판 및 분리막을 말아서 배터리 케이스에 넣는 방식이다. ‘젤리롤(Jelly Roll)’이라고도 불린다. 20Ah 배터리가 올해 독일 BMW 플러그인하이브리드전기자동차(PHEV) ‘i8’에 적용된다.

젠2는 배터리 탭 위치가 변경됐다. 용량은 100Ah 미만이다. 2세대는 독일 폴크스바겐 PHEV ‘e-골프’, BMW 전기차 ‘i3’에 들어가는 게 대표적이다.

젠3도 와인딩 방식을 적용한다. 작년 말 출시된 자동차부터 적용됐다. 130Ah까지 대용량 배터리 제조가 가능하다. 올해 3분기 출시되는 BMW 신형 전기차에도 삼성SDI 3세대 배터리가 적용된다.

작년 5월 준공한 삼성SDI 헝가리 배터리 공장은 이 다음 세대인 3.5세대 배터리를 생산한다. 헝가리 공장은 현재 에너지저장장치(ESS)용 배터리 셀을 주로 만든다. ‘젠3S’로 표기된다. ‘Generation 3’의 두 번째(Second)라는 의미다. 3.5세대는 극판을 스택(Stack) 방식으로 넣는다.

와인딩 방식으로 극판을 넣을 경우 모서리에 빈 공간이 발생한다. 여기에 충방전 과정에서 소재들이 쭈글쭈글해지는 스웰링(Swelling) 현상도 불가피하다. 스웰링이 심해질 경우 소재간 문제로 배터리 셀 팽창, 발화 가능성이 높아진다.

▲와인딩 방식 배터리 셀 내부 구조와 스택 방식 배터리 셀 내부 구조. / LG화학 제공

케이스와 함께 구성된 사전이 있다고 가정할 때, 사전의 딱딱한 케이스에 납작하게 만든 두루마리 화장지를 넣는 개념을 생각하면 와인딩을 이해하기 쉽다. 끝이 둥근 화장지 구조 상 아무리 휴지를 납작하게 눌러도 사전 케이스 모서리는 화장지로 채워질 수 없다.

3.5세대에 사용되는 스택 방식은 극판을 종이처럼 쌓아 배터리를 제조한다. 층층이 극판을 쌓으며 빈 공간을 최대한 활용할 수 있고, 스웰링 현상을 완화한다. 

4세대 역시 스택 방식을 사용한다. 다른 점은 소재다. 이전까지는 양극 활물질이 니켈⋅코발트⋅망간(NCM)에서 니켈⋅코발트⋅알루미늄(NCA)으로 바뀐다. 올해 중 개발 완료, 2021년 양산 예정이다. 이외에 5~6세대는 선행 연구로 아직 내용이 외부에 알려지지 않았다. 다만 5세대 양산 예정 시기가 2023년으로 알려져 로드맵상 개발 연구가 2020년이 될 것으로 예상된다. 다만 양산 목표라는 말은 해당 년도에 출시하는 차량에 들어가는 시기를 의미하는 것으로 보인다.