원형 배터리 규격과 성능 분석

목차

1. 원형 배터리 개요

    원형 배터리는 금속 캔(알루미늄 또는 강철)으로 보호된 원통형 구조를 가지는 2차전지이며, 내부에서 양극, 음극, 분리막, 전해질을 원통형으로 감아 구성된다.

원형 배터리는 높은 기계적 강도, 대량 생산 용이성, 우수한 방열 성능을 갖춰 전기차(EV), 전동공구, 노트북, 전기자전거, 에너지저장장치(ESS) 등에 널리 사용된다.

원형 배터리는 크기 규격이 표준화되어 있으며, 지름과 길이에 따라 18650, 21700, 4680 등으로 구분된다. 배터리의 크기가 커지면 에너지 밀도와 용량이 증가하지만, 내부 저항과 방열 성능 등에 영향을 미칠 수 있다.

 

2. 원형 배터리 규격별 구분

    원형 배터리는 국제 표준 규격을 따르며, 규격 명칭은 지름(Ø)과 길이(mm)를 조합하여 표기한다. 예를 들어, 18650 배터리는 지름 18mm, 길이 65mm, 21700 배터리는 지름 21mm, 길이 70mm를 의미한다.

2.1  주요 원형 배터리 규격

규격	지름 (Ø mm)	길이 (mm)	용량 (mAh)	에너지 밀도 (Wh/kg)	적용 분야
14500	14	50	600~1000	150~200	소형 전자기기
18650	18	65	2500~3600	200~250	노트북, 전동공구, 전기자전거
21700	21	70	4000~5000	220~270	전기차, 전동공구
26650	26	65	5000~6000	180~230	산업용, 에너지저장장치(ESS)
4680	46	80	9000~15000	250~300	전기차(테슬라)

규격 특징 :

• 18650 : 오랜 기간 표준으로 사용된 규격으로, 노트북과 전동공구에서 주로 사용됨.
• 21700 : 18650 대비 크기 증가로 용량 및 출력이 향상되어 전기차와 고성능 전동공구에서 사용됨.
• 4680   : 테슬라가 도입한 새로운 대형 배터리로, 에너지 밀도와 성능이 대폭 향상됨.

 

3. 원형 배터리의 성능 차이 분석

    원형 배터리는 크기와 내부 설계에 따라 에너지 밀도, 방열 성능, 충전 속도, 출력 특성 등에 영향을 받는다.

3.1  용량 및 에너지 밀도 비교

• 배터리 크기가 커질수록 더 많은 양의 활성 물질(양극 및 음극 소재)이 포함되어 용량과 에너지 밀도가 증가한다.

다만, 크기가 커질수록 내부 저항이 증가할 가능성이 있으며, 방열 관리가 중요한 요소가 된다.

규격	단일 셀 용량(mAh)	셀당 전압(V)	셀당 에너지(Wh)
18650	2500~3600	3.6~3.7	9~13.3
21700	4000~5000	3.6~3.7	14.8~18.5
4680	9000~15000	3.6~3.7	32.4~55.5

 

결론 : 4680과 같은 대형 원형 배터리는 단일 셀당 용량이 증가하여 배터리 팩 설계가 단순화될 수 있는 장점이 있음.

3.2  충전 및 방전 성능

    배터리는 크기가 클수록 내부 저항이 증가할 가능성이 있으며, 이를 보완하기 위해 고속 충전 기술과 열 방출 기술이 필요하다.

규격	충전 속도 (C-rate)	최대 방전 전류 (A)	충방전 수명 (사이클)
18650	1.0C~2.0C	10~20	800~1000
21700	1.5C~3.0C	15~30	1000~1500
4680	2.0C~5.0C	20~50	1200~2000

 

결론 :

• 4680 배터리는 고속 충전이 가능하며, 높은 방전 전류를 제공하여 전기차의 주행거리를 연장하는 데 기여할 수 있음.
• 18650은 충방전 사이클이 짧아 전기차보다는 IT 기기나 보조배터리 용도로 적합함.

3.3  방열 성능 및 열관리

• 배터리 크기가 커질수록 열이 내부에 축적될 가능성이 커짐
• 4680 배터리는 크기가 크기 때문에 방열 설계를 최적화해야 하며, 테슬라는 탭리스(Tabless) 설계를 통해 방열 문제를 해결
• 작은 배터리는 표면적 대비 부피 비율이 크므로 자연적으로 방열이 쉬운 구조를 가짐.

 

4. 원형 배터리의 폼팩터별 적용 분야

규격	주요 적용 분야
18650	노트북, 전동공구, 소형 전기자전거, 소형 ESS
21700	전기차(테슬라 모델3, 모델Y), 고성능 전동공구
4680	전기차(테슬라 모델S, 모델X), 에너지저장장치(ESS)

 

결론 :

• 18650은 오래된 표준이지만, 여전히 전동공구와 IT 기기에서 많이 사용됨.
• 21700은 18650보다 용량이 크면서도 방열 성능이 개선된 전기차용 배터리로 확장됨.
• 4680은 차세대 전기차 배터리로, 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도를 제공하여 전기차 시장에서 핵심 기술로 부상함.

 

5. 정 리

• 원형 배터리는 기계적 강도가 높고, 대량 생산이 가능하며, 안정성이 우수하여 전기차 및 전동공구에서 널리 사용됨.
• 배터리 크기가 커질수록 에너지 밀도와 용량이 증가하지만, 내부 열 방출과 충방전 효율이 설계의 핵심 요소가 됨.
• 18650은 기존 산업에서 여전히 사용되지만, 21700 및 4680 배터리가 전기차 시장에서 주류로 자리 잡고 있음.
• 4680 배터리는 테슬라를 필두로 많은 기업들이 채택을 검토하고 있으며, 향후 전기차 배터리 기술의 핵심이 될 가능성이 높음.

미래 전망 :

• 원형 배터리는 계속해서 발전할 것이며, 차세대 전고체 배터리가 적용될 경우 원형 폼팩터의 효율성이 더욱 강화될 가능성이 높음.
• 배터리 제조업체(삼성SDI, LG에너지솔루션, 파나소닉, 테슬라)들은 21700과 4680 배터리 생산을 확대하며 시장을 선점하기 위한 경쟁을 가속화하고 있음.