배터리 성능과 안전성은 셀 설계 단계에서 이미 상당 부분 결정됩니다. 같은 소재를 사용하더라도 셀 내부 구조와 부품을 어떻게 설계하느냐에 따라 에너지 밀도와 안전성이 크게 달라지기 때문입니다.

특히 한정된 공간 안에서 성능을 극대화하면서도 안정성을 확보해야 하는 배터리 셀 설계는 기술력과 개발 경험이 집약되는 핵심 영역 중 하나로 꼽힙니다.

이러한 설계의 출발점에서 셀 구조와 부품 설계 기준을 수립하고, 가이드라인을 제시하는 업무를 통해 셀 개발 전반을 지원하고 있는 구성원들을 만나 셀 설계에 대해 들어봤습니다.

[셀 설계를 통해 배터리 경쟁력을 높이고 있는 이정우, 김재형, 황영진 프로]

Q. 설계가 배터리의 성능과 안전성에 어떤 영향을 끼치는지 궁금합니다.

이정우) 배터리 설계는 안전성과 에너지밀도 모두에 직접적인 영향을 미칩니다. 구조 설계에 따라 활물질이 차지할 수 있는 영역이 달라지기 때문에, 공간을 얼마나 효율적으로 활용하느냐가 에너지밀도를 좌우하는 핵심 요소입니다.

동시에 양극과 음극 간 간격이나 부품 배치가 지나치게 좁아질 경우 안전성 문제가 발생할 수 있어, 정밀한 구조·부품 설계가 필요합니다. 구조 최적화와 부품 소형화를 진행하면서도 알루미늄 캔 타입과 가스 방출구(Vent)와 같은 안전 구조를 반드시 적용해 공간 효율과 안전성을 균형 있게 확보하고 있습니다.

[삼성SDI 각형 배터리의 안전 구조]

Q. 최근 배터리 산업에서 구조 설계 분야가 특히 중요해지고 있는 이유는 무엇이라고 보시나요?

황영진) 최근 배터리 셀 설계는 한정된 공간 안에서 더 높은 성능을 구현해야 하는 ‘극한 설계’ 단계로 접어들고 있습니다. 과거처럼 충분한 설계 여유를 두기보다, 최적화된 구조와 부품 설계를 통해 공간 활용을 극대화하고 셀 성능 개선까지 이끌어내고 있습니다. 나아가 이렇게 개발된 셀을 안정적으로 양산까지 연결하는 것이 핵심 경쟁력으로 이어진다고 생각합니다.

김재형) 배터리 산업에서는 고객이 셀 크기를 지정하는 경우가 많아, 정해진 공간 안에서 내부를 얼마나 효율적으로 설계할 수 있는지가 성능과 원가 경쟁력을 좌우합니다. 구조 설계를 통해 내부 공간 활용도를 높이면 성능을 강화할 수 있고, 상황에 따라서 보다 다양한 소재 선택도 가능해집니다. 이러한 이유로 셀 설계가 최근 배터리 산업의 중요한 트렌드로 자리 잡고 있다고 보고 있습니다.

Q. 설계 엔지니어의 입장에서 볼 때, 좋은 배터리 구조 설계란 어떤 설계라고 생각하시나요?

황영진) 좋은 배터리 구조 설계는 안전(Safety), 성능(Performance), 비용(Cost)의 ‘황금 밸런스’를 구현하는 설계라고 생각합니다. 설계를 하다 보면 항상 여러 요소 간의 트레이드오프(Trade-off)를 마주하게 됩니다. 예를 들어 구조 강성을 높이면 무게나 공간 활용률이 낮아질 수 있고, 반대로 에너지밀도를 높이기 위해 구조를 단순화하면 안전성능, 내구성능이 약해질 수 있습니다.

그렇기 때문에 설계 과정에서는 어느 한쪽을 극단적으로 선택하기보다는 여러 요구사항 사이에서 가장 최적의 균형점을 찾는 것이 중요합니다.

[셀 설계를 통해 배터리 경쟁력을 높이고 있는 황영진, 이정우, 김재형 프로]

Q. 현재 담당하고 있는 업무를 바탕으로 앞으로의 목표에 대해 설명 부탁드립니다.

김재형) 배터리 성능과 안전성을 좌우하는 설계의 중요성이 커지는 만큼, 셀 설계를 통해 삼성SDI의 배터리가 시장의 표준이자 최고의 셀로 자리매김하는 데 기여하는 것이 목표입니다.

이를 위해 셀 구조와 부품 설계를 최적화하고, 개발 전반에 일관된 기준을 제시함으로써 성능과 안전성을 균형 있게 강화해 나가고자 합니다.