프리즘 셀이란 무엇입니까?

각형 셀은 알루미늄 또는 강철 하우징에 들어 있는 직사각형 리튬{0}}이온 배터리 셀입니다. 평평한 상자- 모양으로 인해 배터리 모듈에 효율적으로 적층할 수 있어 원형 케이스에 롤링된 전극을 사용하는 원통형 셀과 구별됩니다.

각형 셀 내부에는 양극, 음극, 분리막으로 구성된 전극 시트가 여러 겹으로 쌓이거나 말아서 편평하게 되어 있습니다. 이 구성을 통해 제조업체는 원통형 대안에 비해 단위당 더 많은 에너지를 저장하는 더 큰 개별 셀을 만들 수 있습니다. 단일 각형 셀은 20~100개의 원통형 셀에 해당하는 에너지를 포함할 수 있으므로 배터리 팩에 필요한 전기 연결 수가 크게 줄어듭니다.

각기둥형 셀의 구성은 두 가지 주요 접근법을 따릅니다. 적층형 각형 셀은 서로 바로 위에 배치된 전극층을 특징으로 하는 반면, 회전형 각형 셀은 직사각형 케이스로 압축되기 전에 편평한 나선형 모양으로 감겨진 전극을 사용합니다. 각 설계는 제조 효율성과 성능 특성 간에 특정한 절충안을 제공합니다.-

알루미늄 또는 강철 외관은 단순한 보호 이상의 다양한 기능을 제공합니다. 이는 구조적 견고성을 제공하고, 충전-주기 동안 내부 압력을 관리하며 열 방출을 돕습니다. 케이스 두께는 일반적으로 알루미늄 쉘의 경우 약 1.1mm로 무게 고려 사항과 보호 기능의 균형을 유지합니다. 이 견고한 인클로저는 유연한 알루미늄 라미네이트 포장을 사용하는 파우치 셀과 각형 셀을 구별합니다.

전극 조립에는 정밀도가 필요합니다. 적층형 구성에서는 모든 양극 시트가 케이싱에 삽입되기 전에 모든 음극 시트와 마찬가지로 전기적으로 연결됩니다. 지그에 바람 전극 층을 압연 설계한 다음 편평하게 만들어 직사각형 프로파일을 얻습니다. 이러한 방법 중 선택은 에너지 밀도, 열 성능 및 제조 처리량에 영향을 미칩니다.

Prismatic Cells

직사각형 형상은 패킹 효율성을 크게 향상시킵니다. 배터리 모듈에 배열할 때 각형 셀은 원통형 셀 구성에 내재된 에어 갭을 제거합니다. 이는 원통형 셀의 500~600Wh/L에 비해 더 높은 체적 에너지 밀도-로 해석됩니다. 일반적으로 600~700Wh/L입니다.

전기 자동차 애플리케이션의 경우 이러한 공간 최적화는 특히 귀중한 것으로 입증되었습니다. 그만큼리튬 자동차 배터리현대 EV의 팩은 제한된 차량 아키텍처 내에서 에너지 저장을 극대화하는 각형 셀의 기능을 활용합니다. 제조업체는 거의 모든 입방 센티미터를 활용하는 배터리 인클로저를 설계하여 팩 크기를 늘리지 않고도 차량 범위를 직접적으로 향상시킬 수 있습니다.

최근의 발전으로 인해 이러한 경계가 더욱 넓어졌습니다. 2028년 상업 생산 예정인 GM과 LG 에너지 솔루션의 리튬 망간-이 풍부한 각형 전지는 비슷한 가격의 인산철리튬 전지에 비해 33% 더 높은 에너지 밀도를 보여줍니다. 이 혁신은 배터리 팩 비용을 줄이면서 400마일 이상의 주행 거리를 요구하는 전기 트럭을 대상으로 합니다.

각형 셀을 사용하면 배터리 팩 조립 복잡성이 크게 줄어듭니다. 100개의 원통형 셀이 필요한 팩은 동일한 용량을 달성하기 위해 5~10개의 각형 셀만 필요할 수 있습니다. 셀 수가 적다는 것은 용접 횟수가 적고 잠재적인 실패 지점이 적으며 제조 시간이 단축된다는 것을 의미합니다.

전기 연결 아키텍처는 근본적으로 다릅니다. 각형 셀은 상단 표면이나 끝에 단자 탭이 있어 간단한 병렬 또는 직렬 연결이 가능합니다. ENNOVI의 1단계 적층 공정과 같은 최신 제조 기술은 저-전압 회로, 고{4}}전압 알루미늄 집전체 및 단자 버스바를 단일 작업으로 결합합니다. 이 혁신은 신뢰성을 향상시키면서 여러 조립 단계를 제거합니다.

그러나 이러한 집중은 취약점을 야기합니다. 원통형 셀 팩은 개별 셀에 장애가 발생해도 감소된 용량으로 계속 작동할 수 있지만 단일 각형 셀 장애는 잠재적으로 전체 모듈에 영향을 미칠 수 있습니다. 배터리 관리 시스템은 이러한 위험을 완화하기 위해 각 셀에 대해 강력한 보호 기능을 제공해야 합니다.

열 방출은 각형 셀에 대한 장점과 과제를 모두 제시합니다. 크고 평평한 표면은 냉각판이나 열 관리 시스템과의 직접적인 접촉을 용이하게 합니다. 설계자는 냉각 요소를 셀 표면에 직접 부착하여 고속 충전 또는 고전력 방전 중에 효율적인 열 추출을 가능하게 할 수 있습니다-.

그러나 에너지 밀도를 향상시키는 컴팩트한 스태킹은 또한 열을 집중시킵니다. 여러 개의 프리즘형 셀을 함께 누르면 냉각 시스템의 성능이 저하될 경우 열 구배가 발생할 수 있습니다. 열이 소산되는 것보다 더 빨리 축적되는 핫스팟이 형성됩니다. 고급 열 관리는 특히 고성능 애플리케이션에서 매우 중요합니다.-

원통형 셀은 자연스럽게 장치 사이의 간격으로 인해 이익을 얻음으로써 수동 냉각을 위한 공기 흐름을 허용합니다. 각형 구성에는 공학적 냉각 솔루션-액체 냉각 루프, 상-변화 재료 또는 그래핀-강화 열 패드가 필요합니다. 일부 제조업체는 현재 각형 패키지 내부에 상{5}}변화 물질을 통합하여 급속 충전 주기 동안 열을 흡수하고 이후 점차적으로 열을 방출합니다. 초기 프로토타입은 0.5C 방전율에서 내부 온도 상승이 5도 미만인 주변 온도 45도에서 안정적인 작동을 유지합니다.

각형 셀의 생산 자동화는 원통형 셀 제조보다 뒤떨어져 있습니다. 18650 및 21700과 같은 원통형 형식은 수십 년간 축적된 표준화된 생산 기술의 이점을 활용하여 일관된 품질로 대량 생산이 가능합니다.{3}} 각형 셀에는 독일 자동차 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 VDA PHEV2 사양을 제외하고{5}}범용 형식 표준이 없습니다.

표준화가 이루어지지 않았다는 것은 대부분의 프리즘형 셀이 특정 용도에 맞게{0}}맞춤 설계되었음을 의미합니다. 제조업체는 고객 요구 사항을 충족하기 위해 고유한 크기, 용량 및 터미널 구성을 만듭니다. 이러한 유연성으로 인해 최적화된 통합이 가능하지만 비용이 증가하고 최소 주문 수량도 늘어납니다. 테스트 및 인증은 각 설계 변형에 대해 개별적으로 완료되어야 합니다.

전극 적층이나 롤링에 필요한 정밀도는 제조 복잡성을 가중시킵니다. 내부 단락을 방지하려면 레이어를 올바르게 정렬해야 합니다. 원통형 셀에 대한 성숙하고 고도로 자동화된 프로세스에 비해 품질 관리가 더욱 까다로워지고 있습니다. 이러한 요소는 단위당 비용을 높이는 데 기여하지만-생산량이 증가함에 따라 규모의 경제로 격차가 점차 좁아집니다.

각형 셀은 수명 동안 최적의 성능을 유지하기 위해 외부 압축이 필요합니다. 셀이 충전됨에 따라 리튬 이온이 흑연 양극으로 이동하여 두께가 팽창합니다. 실리콘- 강화 양극은 이러한 팽창을 크게 증폭시킵니다. 전극 평면에 수직으로 지속적인 압력이 없으면 층이 박리되어 활성 작업 영역이 줄어들고 용량이 저하될 수 있습니다.

일반적인 배터리 모듈은 표준 PHEV2 형식 셀의 엔드 플레이트에 약 3kN의 초기 힘을 적용합니다. 이 압력은 충전-주기 동안 전극층의 접촉을 유지하여 기계적 피로와 파손을 방지합니다. 모듈 설계에서는 초기 압축 요구 사항과 수명 종료 시 증가하는 압력을 모두 고려해야 합니다.

직사각형 프리즘 셀의 뾰족한 모서리는 구조적 약점을 나타냅니다. 이러한 영역에는 진동과 충격으로 인한 기계적 응력이 집중됩니다. 보호 인클로저는 셀을 적절하게 보호해야 하며, 특히 극한의 온도와 도로 조건에 걸쳐 내구성이 필수적인 자동차 애플리케이션에서 더욱 그렇습니다. 단단한 케이스는 어느 정도 보호 기능을 제공하지만 일반적으로 원통형 셀의 기계적 강도보다 견고성이 떨어집니다.

Prismatic Cells

각형 셀은 다양한 사용 사례에 적합한 다양한 리튬{0}}이온 화학을 수용합니다. 리튬 철 인산염 화학은 특히 프리즘 형식과 잘 어울립니다. LFP 배터리는 풍부하고 비용 효율적인 재료를 사용하며{4}}값비싼 코발트와 니켈을 사용하지 않고-뛰어난 열 안정성과 3,000사이클을 초과하는 긴 수명을 제공합니다.

니켈 망간 코발트 및 니켈 코발트 알루미늄 화학 물질도 프리즘 구성으로 나타나며 더 높은 에너지 밀도가 필요한 응용 분야를 대상으로 합니다. 형식 유연성을 통해 제조업체는 전체 배터리 아키텍처를 재설계하지 않고도 특정 성능 요구 사항에 맞게 화학 선택을 최적화할 수 있습니다.

전기 자동차는 특히 제조업체가 LFP 프리즘형 셀을 우선시하는 아시아 시장에서 지배적인 응용 분야를 나타냅니다. 이 배터리는 다양한 차량 중에서 중국에서 제조된 표준-Tesla 모델에 전원을 공급합니다. 이 형식의 공간 효율성과 비용 이점은 EV 경제성과 일치합니다. 그리드- 규모 애플리케이션과 재생 에너지 통합을 위한 에너지 저장 시스템은 마찬가지로 원통형 대안에 비해 내구성, 긴 사이클 수명 및 낮은 화재 위험 때문에 각형 셀을 선호합니다.

가전제품은 얇은 프로파일이 필요한 스마트폰, 태블릿, 노트북과 같은 장치에 더 작은 각형 셀을 사용합니다. 의료 기기, 통신 백업 시스템 및 무선 전동 공구는 이 형식의 장점을 활용하는 추가 시장을 대표합니다.

배터리 셀 유형을 평가할 때 여러 정량화 가능한 지표를 통해 성능 특성을 정의합니다. 각형 셀은 일반적으로 셀당 20Ah에서 300Ah 이상의 용량을 제공합니다. 원통형 셀은 21700과 같은 일반적인 형식의 경우 최대 약 5-6Ah이지만 Tesla의 4680 셀은 약 25Ah에 이릅니다.

전력 밀도에는 절충안이 있습니다.- 원통형 셀은 최대 1,500W/kg을 달성하므로 암페어-시간당 더 많은 연결이 가능합니다. 각형 셀은 일반적으로 1,000-1,200W/kg에 도달하며 순간 전력 공급보다 에너지 저장을 우선시합니다. 이로 인해 빠른 에너지 방출이 필요한 고성능 애플리케이션에 원통형 셀이 선호되는 반면, 각형 셀은 지속적인 전력 출력이 요구되는 애플리케이션에 탁월합니다.

중량 에너지 밀도는 각형 구성의 경우 200Wh/kg에 비해 약 260Wh/kg의 원통형 셀을 선호합니다. 차이점은 케이싱 재료 요구 사항에서 비롯됩니다.-기둥형 셀은 원통형 기하학적 구조에 비해 감소된 기계적 안정성을 보상하기 위해 더 두꺼운 벽이 필요합니다. 그러나 체적 에너지 밀도는 각형 셀이 공간을 보다 효율적으로 활용하므로 이러한 이점을 뒤집습니다.

사이클 수명은 셀 형식보다는 화학 및 작동 조건에 따라 다릅니다. 두 유형 모두 적절한 관리를 통해 2,000사이클을 초과할 수 있습니다. 각형 LFP 셀은 최적화된 응용 분야에서 일반적으로 5,000주기를 초과합니다. 주요 차별화 요소는 외부 요인-온도 관리, 충전 속도, 방전 심도-가 수명에 미치는 영향에 있습니다.

제조 경제성은 셀 형식 선택에 큰 영향을 미칩니다. 원통형 셀은 성숙한 생산 인프라와 표준화의 이점을 누리므로 대규모 생산 시 -킬로와트-시간당 비용이 낮아집니다. 자동화된 와인딩 프로세스와 수십 년간의 개선을 통해 빠르고 일관된 출력이 가능합니다.

각형 셀 생산 비용은 맞춤화 요구사항과 자동화 감소로 인해 여전히 더 높습니다. 그러나 시스템-수준의 경제성은 각형 셀을 선호할 수 있습니다. 팩당 셀 수가 적어서 조립 노동력이 줄어들고, 배터리 관리 시스템이 단순화되며, 용접 횟수가 줄어듭니다. 전기 트럭이나 그리드 스토리지와 같은 대형-애플리케이션의 경우 이러한 절감 효과로 높은 셀 비용을 상쇄할 수 있습니다.

원자재 비용은 두 형식 모두에 동일하게 영향을 미치지만 화학 선택은 셀 모양보다 더 중요합니다. 각형 전지에서 LFP 화학으로의 전환은 부족한 코발트와 니켈 대신 풍부한 망간과 철을 활용하여 잠재적으로 니켈이 풍부한 화학에 비해 재료 비용을 20{2}40% 절감합니다.

설계에 표준화가 부족하면 테스트 및 인증 비용이 각형 셀 비용에 추가됩니다. 각각의 고유한 형식에는 별도의 검증이 필요하므로-시장 진출 시간-과 개발 비용이 늘어납니다. 표준화를 강화하려는 업계의 노력은 이러한 격차를 줄일 수 있지만, 현재 시장 역학은 범용 형식보다 애플리케이션{4}}특정 최적화를 선호합니다.

배터리 안전에는 다양한 오류 모드-열 폭주, 내부 단락, 전해액 누출 및 기계적 손상이 포함됩니다. 프리즘 셀은 일부 위험을 해결하는 동시에 다른 위험도 도입합니다. 견고한 금속 케이스는 파우치 셀에 비해 외부 천공에 대한 보호 기능이 뛰어나지만 원통형 디자인보다 기계적 강도가 낮습니다.

셀당 용량이 클수록 단일 장치에 더 많은 에너지가 집중됩니다. 하나의 각형 셀에 장애가 발생하면 원통형 셀에 장애가 발생하는 것보다 더 많은 에너지가 방출될 가능성이 있습니다. 그러나 팩의 총 셀 수가 적으면 잠재적인 오류 지점 수가 줄어듭니다. 이러한 절충안을 사용하려면{3}}각 셀의 전압, 온도, 충전 상태를 모니터링하기 위한 세심한 배터리 관리 시스템 설계가 필요합니다.

각형 셀의 LFP 화학은 고유한 안전 이점을 제공합니다. 인산 철 리튬은 니켈-코발트 화학 물질에 비해 열 안정성이 뛰어나며 남용 조건에서도 열 폭주 위험이 낮습니다. 이 소재는 열분해 중에 산소를 방출하지 않아 화재 위험을 줄입니다. 이러한 특성으로 인해 LFP 프리즘 셀은 안전성이 에너지 밀도 요구 사항을 대체하는 고정식 저장 응용 분야에 특히 매력적입니다.

제조업체는 다양한 안전 기능-압력 완화 통풍구, 전류 차단 장치, 온도 퓨즈 및 난연성 분리기를 통합합니다.- 배터리 관리 시스템은 연속적인 오류를 유발할 수 있는 과충전, 과방전 및 과도한 온도 노출을 방지하는 1차 방어선을 제공합니다.

글로벌 각형 셀 시장은 견고한 성장 궤적을 보여줍니다. 시장 가치는 2024년 75억 달러에서 125억 달러에 달하며, 2033년까지 352억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 주로 전기 자동차 채택과 재생 에너지 저장 확장에 힘입어 9.5~15%의 복합 연간 성장률을 나타냅니다.

아시아{0}}지역은 생산을 주도하며 전 세계 생산량의 약 45-70%를 차지합니다. 중국은 CATL, BYD, LG Chem 등 주요 업체가 대규모로 각형 셀을 생산하는 기가팩토리를 운영하면서 제조 역량을 선도하고 있습니다. 2024년에 연간 용량 60GWh를 목표로 하는 노르웨이에 있는 Northvolt의 유럽 시설은 아시아 이외의 최대 리튬 이온 배터리 공장을 대표합니다.

기술 혁신은 계속해서 가속화되고 있습니다. 전고체-배터리 개발은 고체 전해질을 수용할 수 있는 위치에 있는 각형 형식을 통해 더 높은 에너지 밀도와 향상된 안전성을 보장합니다.- 실리콘 양극, 그래핀 열 관리 재료 및 고급 음극 화학에 대한 연구는 각형 전지 설계에 도움이 될 것입니다.

자동차 산업의 배터리 로드맵에는 점점 더 각형 셀이 포함됩니다. 폭스바겐은 2025년까지 EV의 80%에 각형 셀을 사용할 계획이며, 세 가지 화학 변형-LFP, 망간-기반 및 니켈-풍부-을 구현하여 차량 부문 전반에 걸쳐 비용과 성능을 최적화할 계획입니다. 이러한 다각화 전략을 통해 제조업체는 대규모 형식 변경 없이 배터리 사양을 특정 차량 요구 사항에 맞출 수 있습니다.

각기둥 대 원통형 논쟁에는 보편적인 대답이 부족합니다. 각 형식은 특정 상황에서 탁월합니다. 원통형 셀은 높은 전력 출력, 우수한 열 관리 및 기계적 견고성을 요구하는 응용 분야에 적합합니다. 전동 공구, 전기-자전거 및 고성능 차량이 각각의 장점을 활용합니다. 표준화를 통해 신속한 설계 반복과 부품 소싱이 가능해졌습니다.

각형 셀은 공간 효율성, 셀당 높은 용량, 연결 횟수 감소가 가치를 창출하는 최적의 위치에 있음이 입증되었습니다. 대형-EV, 그리드 스토리지 시스템 및 통신 백업 전력은 이러한 특성의 이점을 얻습니다. 특정 애플리케이션에 맞게 치수를 맞춤화하는 기능을 통해 시스템 아키텍처와 더욱 긴밀하게 통합할 수 있습니다.

배터리 팩 설계자들은 차량 부문과 사용 사례에 따라 셀 형식을 선택하는 하이브리드 접근 방식을 점점 더 많이 채택하고 있습니다. 성능-지향적 차량은 우수한 전력 밀도를 위해 원통형 셀을 사용할 수 있습니다. 주행거리와 비용 효율성을 목표로 하는 대중{3}}전기차는 각형 전지를 선호합니다. 고정된 용량에 최대 에너지 저장이 필요한 트럭 및 상업용 차량은 프리즘 구성을 선택합니다.

시장 역학은 형식 지배보다는 지속적인 공존을 시사합니다. 제조 개선, 화학 발전 및 비용 절감은 두 유형 모두에서 동시에 진행될 것입니다. 최적의 선택은 애플리케이션별-우선순위-에너지 밀도, 전력 밀도, 비용, 수명, 안전 및 폼 팩터 제약 조건에 따라 달라집니다.

Prismatic Cells

각형 셀은 화학 및 작동 조건에 따라 일반적으로 2,000~7,000회 충전 주기 동안 지속됩니다. LFP 각형 셀은 적절한 열 관리와 20% 충전 상태 미만의 완전 방전 방지를 통해 5,000사이클을 초과하는 경우가 많습니다. 대부분의 응용 분야에서 주기 수명은 5~10년입니다.

각형 셀은 적절한 열 관리 시스템을 통해 빠른 충전을 지원합니다. 많은 디자인이 1C ~ 2C 충전 속도를 지원하므로 30{5}}60분 안에 완전 충전이 가능합니다. 액체 냉각 또는 상변화 재료를 사용하는 고급 냉각 시스템은 급속 충전 중 과도한 온도 상승을 방지하여 셀 건강과 안전을 유지합니다.

각기둥형 장치의{0}}셀당 비용은 일반적으로 맞춤화 및 낮은 자동화로 인해 원통형 셀을 초과합니다. 그러나 시스템- 수준 비용은 조립 노동력 감소와 구성 요소 수 감소를 통해 프리즘형 설계를 선호할 수 있습니다. 총 소유 비용은 생산량, 통합 복잡성, 필요한 용량 등 애플리케이션{4}}별 요소에 따라 달라집니다.

각형 셀은 완전히 재활용 가능합니다. 알루미늄 또는 강철 케이싱은 활성 물질과 독립적으로 분리 및 가공될 수 있습니다. 리튬, 코발트, 니켈, 망간은 회수하여 새 배터리에 재사용할 수 있습니다. 수명이 다한 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템의 증가하는 배터리 용량을 처리하기 위해 재활용 인프라가 지속적으로 확장되고 있습니다.