같은 LFP, 다른 배터리: BYD 블레이드가 다른 LFP 팩과 다른 점

EV 업계는 이제 한 가지에 합의했다. LFP(리튬인산철)가 향후 10년 가장 중요한 배터리 화학이라는 것이다. 값싸고 안전하며, 2만 달러 미만의 전기차가 가능해진 이유다. 하지만 잊기 쉬운 점은 "LFP"가 설명하는 것은 양극재일 뿐이라는 것이다. 셀, 팩, 그리고 그 주변의 냉각 시스템에 대해서는 거의 아무것도 말해주지 않는다. 두 개의 LFP 배터리는 조립식 가구와 서류 캐비닛만큼 다를 수 있다.

BYD의 블레이드 배터리(2020년 3월 출시)는 그 라벨 뒤에 얼마나 많은 엔지니어링이 숨어 있는지 보여주는 가장 분명한 사례다. 화학은 LFP다. 그러나 셀, 팩, 열관리 체인은 모두 재설계되었다. 특히 네 가지 차이가 다른 제조사가 사가는 LFP 셀과 뚜렷이 구별된다.

모든 LFP가 같지는 않다: 전해액과 레시피

대표적인 경쟁사 LFP 각형 셀 — CATL 302Ah LiFePO₄ 셀(공칭 3.2V). BYD 블레이드와 동일한 양극 화학이지만, 셀도 레시피도 제조 공정도 다르다. (이미지: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0, Aeroid)

LFP는 양극 활물질이 리튬인산철이라는 뜻이다. 유사점은 거기까지다. 완성된 셀 안에서 양극은 수많은 재료 중 하나일 뿐이다. 전해질 염, 용매 배합, 첨가제 패키지, 분리막 코팅, 바인더, 음극 처방은 모두 각 사의 독자 레시피이며, 각 제조사는 에너지 밀도, 저온 성능, 수명, 팽창, 비용이라는 서로 다른 트레이드오프를 향해 조율한다.

BYD의 블레이드 셀은 매우 얇고 매우 길게 설계되었다 — 두께 약 13.5mm, 길이 900mm 이상. 이 형태 자체가 전해액에 대한 고문 테스트다. 얇은 셀은 팽창할 여지가 적고, 가스에 대한 허용 여유가 작으며, 표면적 대 부피 비율도 나쁘다. 따라서 블레이드 뒤의 처방은 범용 LFP 레시피가 아니다. 이 형상 안에서 살아남기 위해 특별히 설계된 저점도·내팽창·장수명 레시피다. 셀 형상이 다른 화학 설계 요구를 강제하기 때문에 CATL이나 EVE의 데이터시트에는 이 레시피가 없다.

이것이 "BYD의 LFP"가 다른 배터리인 첫 번째 의미다. 화학 라벨은 공유되지만, 그 안의 액체는 공유되지 않는다.

권취가 아닌 적층

두 가지 셀 제조 공정 비교 도해: 적층(왼쪽)은 전극 시트를 쌓아 얇고 긴 셀을 만들고, 권취(오른쪽)는 연속 전극 테이프를 각형 캔 안의 '젤리 롤'로 감는다.(Diagram: EV & Auto Club)

LFP 시대의 대부분 동안 셀은 권취 방식으로 만들어졌다. 양극, 분리막, 음극이 세 개의 롤에서 나와 긴 젤리롤로 샌드위치된 다음, 파우치로 납작해지거나 단단한 각형 케이스에 담긴다. 권취는 빠르며, 중국의 주요 셀 제조사들 — CATL, EVE, 국헌고과(Gotion)를 포함 — 이 LFP 셀을 대량 생산할 때 여전히 쓰는 방식이다.

블레이드 셀은 권취되지 않는다. 적층된다.

적층기는 전극 시트를 한 겹씩, 그 사이에 분리막을 끼워 겹겹이 쌓는다. 젤리롤과 비교하면 네 가지 실질적인 장점이 있다.

• 균일성. 모든 층이 동일한 압력, 동일한 전류 경로, 동일한 반응 창을 받는다. 권취 셀은 곡선 안쪽이 약간 더 팽팽하고 바깥쪽이 약간 더 느슨해서, 셀 간 균일성이 구조적으로 더 나쁘다.
• 수명. 권취 셀은 충·방전할 때마다 젤리롤의 꺾인 부분에 응력이 쌓이고, 그 응력이 수천 사이클에 걸쳐 피로 열화를 일으킨다. 적층 셀에는 꺾임이 없다. 블레이드 셀은 일반적으로 3,000~4,000회 풀사이클로 평가되며, 같은 세대 권취 LFP 셀의 일반적인 2,000회를 훨씬 웃돈다.
• 셀 레벨 에너지 밀도. 적층은 곡률에 의한 데드존을 없애므로 같은 부피에 더 많은 활물질을 채울 수 있다. BYD 공식 블레이드 수치는 약 180Wh/kg로, 같은 세대 권취 NCM 셀과 견줄 만하다.
• 열 거동. 평평하고 균일한 전류 분포는 더 고른 발열을 의미한다. 젤리롤의 꺾인 부분 같은 핫스팟이 없다.

요컨대, 같은 LFP지만 셀은 '롤'이 아니라 '스택'으로 만들어진다 — 그리고 이후의 모든 설계(균일성, 수명, 에너지 밀도, 열)는 이 하나의 공정 선택에서 나온다.

분해된 BYD 블레이드 배터리 팩 사진. 길고 납작한 LFP 셀이 나란히 쌓여 있으며, 알루미늄 사이드 플레이트와 셀 간 버스바가 보인다.(이미지: Tencent Auto 분해 보고서)

모듈 없음: 셀 투 팩, 그리고 셀 투 바디

기존 EV 팩은 세 겹으로 구성된다. 셀, 그다음 모듈, 그다음 팩. 모듈은 몇 개의 셀을 직병렬로 담는 금속 상자이고, 팩은 모듈을 담는 더 큰 상자다. 구조용 금속, 배선, 버스바, 냉각 매니폴드가 셀 주위에 쌓이며, 이 적층부는 보통 팩 부피의 40~50%를 차지하면서 에너지를 전혀 저장하지 않는다.

BYD는 블레이드 셀로 **셀 투 팩(CTP)**을 처음으로 대규모 상업화한 제조사다. 모듈이 없다. 길고 평평한 블레이드가 팩 안에 직접 배치되고, 알루미늄 하우징과 복합재 상판이 구조를 담당한다. 부피 이용률은 40~50%대에서 60% 이상으로 올라간다. 이것이 블레이드 팩이 LFP 화학 그대로 권취 NCM 팩 수준의 에너지 밀도에 도달할 수 있는 큰 이유다.

그리고 BYD는 한 걸음 더 나아갔다. 2022년 **시얼(Seal)**로 시작한 e-플랫폼 3.0 차량에서 팩은 더 이상 바닥에 볼트로 고정되는 별도의 상자가 아니다 — 차체의 구조 부재다. 이것이 **셀 투 바디(CTB)**다. 팩의 상부가 바닥의 일부가 되고, 팩의 사이드 레일은 차량의 충돌 구조에 연결되며, 팩 전체가 차체의 휨 저항을 돕는다. 결과는 더 낮고 평평한 바닥, 더 넓은 실내 공간, 더 나은 비틀림 강성, 더 단순하고 가벼운 제조 공정이다.

2022년형 BYD 시얼 — BYD e-플랫폼 3.0에서 셀 투 바디(CTB) 아키텍처를 채택한 최초의 양산차. 블레이드 배터리 팩이 차체 하중 지지 부재로 바닥에 통합된다. (이미지: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0, User3204)

이것이 두 번째 구조적 차이다. 다른 LFP 팩들 — CATL의 뛰어난 CTP 3.0과 치린(Qilin) 팩을 포함 — 은 CTP 측면에서는 거의 따라잡았다. 하지만 CTB로 대규모 전환한 곳은 거의 없다. CTB는 차체와 배터리를 함께 설계하는 것을 의미하기 때문이다. 셀도, 팩도, 차체도 자체 생산하는 제조사만이 이를 저비용으로 할 수 있다. 여기서 수직 통합은 슬로건이 아니다 — 아키텍처 성립의 전제 조건이다.

열관리: 냉매 직접 냉각

마지막이자 아마 가장 과소평가된 차이는 열이다. LFP는 고온에 강한 것으로 유명하지만, 온도 불균일에 약한 것으로도 유명하다. 일부 셀이 35°C, 다른 셀이 45°C인 팩은 모든 셀이 정확히 40°C인 팩보다 훨씬 빨리 열화된다. 즉, 열관리 시스템이 배터리가 얼마나 오래 가는지를 결정한다.

업계의 대부분 LFP 팩은 두 가지 방식 중 하나를 쓴다.

• 공랭. 팬이 실내 또는 외기를 셀에 불어 넣는다. 저렴하고 단순하지만 거칠다. 일부 엔트리급 마이크로 EV와 초기 세대 팩에서 쓰인다.
• 액랭(간접). 물-글리콜 회로가 셀 아래 또는 사이의 콜드 플레이트를 통과한다. 콜드 플레이트는 냉매에 직접 닿지 않고, 칠러가 별도의 열교환기에서 냉각수와 에어컨 냉매 사이의 열을 옮긴다. 이것이 현대 EV의 주류다 — 테슬라, 폭스바겐, 현대, 그리고 CATL 공급 팩의 대부분이 어떤 형태로든 간접 액랭을 쓴다.

블레이드 팩은 다르게 한다. BYD는 자체 전동 컴프레서, 자체 히트펌프 시스템, 자체 배터리 냉각 플레이트를 만들기 때문에 2차 루프를 생략할 수 있다. 에어컨 시스템의 냉매가 셀 아래 냉각 플레이트 안에서 직접 증발한다. 이것이 냉매 직접 냉각(중국어로 '冷媒直冷')이다. 배터리 쪽에 물-글리콜 매개체도, 칠러도, 두 번째 펌프도 없다. 반응은 더 빠르고, 더 가볍고, 높은 C-rate에서 더 많은 열을 빼낸다 — 바로 LFP 급속 충전이 버거워지기 시작하는 영역이다.

배터리 열관리 하드웨어 — BYD가 자체 설계·자체 생산하는 통합 배터리 냉각 유닛들. 자체 컴프레서와 히트펌프와 결합해 블레이드 팩에서 냉매 직접 냉각을 구현한다. (이미지: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0, Tank.xing)

CTB를 가능하게 한 동일한 수직 통합이 직접 냉각도 가능하게 한다. 컴프레서, 히트펌프, 냉각 플레이트, 배터리 관리 소프트웨어가 모두 같은 엔지니어링 루프에서 개발된다. 결과는 충전이 더 빠르고 저온 성능이 더 좋은 것뿐만이 아니다(물론 둘 다 그렇다). 팩 온도가 더 균일해지는 것이며, 균일성에 따라 수명이 갈리는 LFP 셀에게는 이것이 곧 더 긴 사이클 수명으로 직결된다.

결론

LFP는 양극에서 LFP다. 그 외의 모든 것 — 전해액 레시피, 제조 공정, 팩 아키텍처, 열 체인 — 은 엔지니어링이며, BYD는 바로 거기서 경쟁하기로 했다. 권취가 아닌 적층. 셀 투 팩, 그리고 셀 투 바디. 공랭이나 간접 액랭이 아닌 냉매 직접 냉각. 이것들은 더 나은 양극의 결과가 아니다. 양극은 같은 원자재이기 때문이다. 이것은 셀, 팩, 냉각 시스템, 차체를 함께 설계할 수 있는 기업의 결과이며, 그 모든 것을 자체 생산하기 때문이다.

그래서 스펙 시트에서 나란히 팔리는 두 개의 LFP 배터리가, 10년 뒤 오너의 차고에서는 전혀 다른 제품이 될 수 있는 것이다.