전기차 배터리 셀 구조 혁신, 에너지 밀도의 한계를 넘다

전기차의 핵심 경쟁력은 여전히 배터리에 달려 있다.
특히 배터리의 에너지 밀도(Energy Density), 즉 ‘같은 무게·공간에서 얼마나 많은 전기를 저장할 수 있는가’는 전기차의 주행거리와 직접적으로 연결된다.

 

하지만 화학적으로 리튬이온 배터리의 한계는 이미 명확해지고 있다.
그렇다면 제조사들은 어떻게 이 벽을 넘고 있을까?
정답은 바로 **‘셀 구조 혁신(Cell Architecture Innovation)’**에 있다.

 

이번 글에서는 기존 배터리의 구조적 한계를 짚고, 최근 등장한 CTP, CTC, 4680, 파우치 셀, 단결정 전극 구조 등 다양한 혁신 기술을 심층 분석해본다.
전기차 산업의 본질적 변화가 어디서 시작되는지를 이해할 수 있을 것이다.

 

 

 

 

1. 배터리 셀 구조란 무엇인가?

 

배터리 셀은 크게 세 가지 형태로 구분된다.
1)원통형 (Cylindrical)
2) 파우치형 (Pouch)
3) 각형 (Prismatic)

이 셀들이 수십~수백 개 모여 하나의 모듈(Module)을 만들고,
모듈 여러 개가 모여 **팩(Pack)**을 구성한다.
즉, 전기차의 배터리는 ‘셀 → 모듈 → 팩’이라는 3단 구조로 이루어져 있다.

이런 구조는 안정성과 관리에는 유리하지만, 공간 낭비가 많다.
예를 들어 100kWh 배터리 팩에서 실제로 전기를 저장하는 공간은 약 70% 정도뿐이다.
나머지는 케이스, 냉각 장치, 배선 등 보조 구조물이 차지한다.

결국, 셀 구조를 단순화하고 효율을 높이는 것이 에너지 밀도를 끌어올리는 핵심 전략이 된다.

 

2. 첫 번째 혁신 — CTP(Cell to Pack) 기술

CTP(Cell to Pack)는 모듈 단계를 생략하고, 셀을 직접 팩 구조에 통합하는 기술이다.
중간 구조를 없애면서 무게와 부피를 줄이고, 공간 효율을 극대화한다.

CATL이 처음 상용화한 이 기술은 LFP 배터리의 낮은 에너지 밀도를 보완하면서 시장을 뒤흔들었다.
CTP 구조를 적용하면 기존 대비 약 15~20%의 에너지 밀도 향상과 10%의 원가 절감이 가능하다.

테슬라, 현대자동차, BYD 등 대부분의 완성차 브랜드가 이미 이 방식을 채택했다.
특히 BYD의 ‘블레이드 배터리(Blade Battery)’는 CTP의 대표 사례로, 셀 자체가 길쭉한 블레이드 형태로 팩 내부에 바로 배열되어 공간 손실이 거의 없다.

이 기술을 통해 전기차의 주행거리는 동일한 배터리 용량에서도 약 50~100km가 늘어날 수 있다.

 

3. 두 번째 혁신 — CTC(Cell to Chassis) 구조

CTC는 CTP보다 한 단계 더 진화한 기술이다.
셀을 팩에 넣는 것이 아니라, 차체(Chassis) 구조 자체에 셀을 통합하는 개념이다.
즉, 배터리 팩이 자동차 바닥의 일부가 되는 것이다.

이 구조는 부품 수를 줄이고 차체 강성을 높이며, 냉각 효율을 대폭 개선한다.
테슬라의 **Model Y 구조형 배터리팩(Structural Pack)**이 대표적인 예다.

이 방식을 적용하면 차량 무게를 약 10%, 부품 수를 약 300개 줄일 수 있으며, 제조비용은 7% 절감된다.

 

또한 배터리가 차량의 하부 프레임 역할을 하므로, 충돌 안전성까지 향상된다.

향후에는 CTC가 전기차 구조의 표준이 될 가능성이 크다.
특히 전고체 배터리가 상용화되면, 더 얇고 단단한 셀을 통해 차체 일체형 설계가 가능해진다.

 

4. 세 번째 혁신 — 4680 배터리, 셀 사이즈의 혁명

테슬라가 2020년 배터리 데이에서 공개한 4680 셀은 숫자 그대로 ‘직경 46mm, 높이 80mm’의 원통형 셀이다.
이전의 2170 셀보다 훨씬 크지만, 내부 구조 혁신으로 출력과 냉각 효율을 동시에 향상시켰다.

핵심은 탭리스(tabless) 구조다.
기존 셀은 전류가 양극에서 음극으로 흐를 때 탭을 거쳐야 했지만, 탭리스 구조에서는 전류가 셀 전체로 균일하게 흐른다.
그 결과 발열이 줄고 충전 속도가 5배 빨라졌다.

 

또한 셀 크기가 커졌지만, 단위당 생산 공정 수가 줄어들어 생산비용을 14% 절감할 수 있다.

테슬라는 4680 셀을 통해 배터리 팩의 에너지 밀도를 30% 이상 끌어올렸으며,
Model Y, Cybertruck 등 차세대 모델에 적용하고 있다.

 

5. 네 번째 혁신 — 파우치 셀의 진화와 고집적 설계

파우치 셀은 얇고 유연한 구조 덕분에 다양한 형태로 배열할 수 있다는 장점이 있다.
LG에너지솔루션, SK온 등 한국 기업들이 주도하는 분야다.

최근에는 파우치 셀을 단순히 병렬로 쌓는 것이 아니라,
**다층 적층 구조(Stacked Pouch)**로 구성해 에너지 밀도를 극대화하고 있다.

 

또한, 냉각 채널을 셀 사이에 직접 삽입하는 액체 냉각 일체형 설계가 도입되면서, 발열 문제도 크게 개선되었다.

이 방식은 특히 SUV나 픽업트럭처럼 공간이 넓은 차량에서 유리하며,
2025년 이후 LG와 GM의 얼티움(Ultium) 플랫폼에서 본격 확산될 전망이다.

 

6. 다섯 번째 혁신 — 단결정 전극과 초박막 분리막 기술

에너지 밀도를 높이는 또 다른 방법은 셀 내부 소재 구조를 미세하게 개선하는 것이다.
특히 ‘단결정 전극(Single Crystal Cathode)’은 최근 주목받는 신기술이다.

기존 다결정 입자는 충전·방전 과정에서 미세한 균열이 발생해 수명이 단축되었다.
반면 단결정 구조는 입자 하나가 완전한 결정 구조를 이루어,
수명은 2배, 에너지 밀도는 10% 향상된다.

 

또한 초박막 세라믹 분리막(Separator)은 셀 내부의 안전성을 강화하면서,
배터리의 부피를 줄여 전체 시스템 효율을 끌어올린다.

이런 기술이 결합되면, 셀 단위 에너지 밀도는 300Wh/kg 이상까지 가능해진다.

 

7. 셀 구조 혁신이 가져온 산업적 변화

셀 구조가 단순히 기술 발전을 의미하는 것은 아니다.
이는 생산 공정, 물류, 차량 설계, 안전 규정까지 모두 바꾸는 산업 혁신이다.

예를 들어 CTP 구조는 모듈 공정이 사라지기 때문에 생산 라인이 25% 짧아지고,
공장당 연간 생산 용량이 40% 이상 증가할 수 있다.

또한 배터리 팩 구조가 단순화되면,
차체 설계 단계에서 배터리와 차체의 **동시 개발(co-design)**이 가능해진다.
이는 곧 차량 전체의 경량화로 이어져, 주행거리·성능·비용 모두를 개선한다.

 

8. 한국 기업의 전략 — 고집적·고효율 중심의 진화

한국의 배터리 3사는 셀 구조 혁신에서도 각자 독자적인 전략을 펼치고 있다.

• LG에너지솔루션: ‘얼티움(Ultium)’ 플랫폼을 통해 파우치형 CTP 구조 확대
• 삼성SDI: ‘Gen5 → Gen6’ 라인업으로 고에너지 원통형(46파이) 기술 강화
• SK온: 모듈리스(Module-less) 설계 + 초고속 냉각 구조 도입

이 세 회사 모두 공통적으로 지향하는 방향은 명확하다.
“셀 효율을 극대화하고, 구조 단순화를 통해 생산성을 높인다.”
즉, 화학이 아닌 기계적 혁신으로 한계를 넘는 전략을 택한 것이다.

 

9. 향후 전망 — 셀 구조의 종착지는 ‘통합과 단순화’

2030년 이후의 전기차 배터리는 지금과 전혀 다른 형태를 띨 것이다.
셀은 차체와 일체화되고, 냉각 시스템과 제어 회로가 통합될 것이다.
CTC 이후에는 CTB(Cell to Body) 구조로 발전해, 차량 전체가 하나의 거대한 배터리가 된다.

이러한 흐름은 단순히 주행거리 향상뿐 아니라 재활용 용이성, 안전성, 비용 절감까지 개선한다.
결국 미래의 배터리 경쟁은 화학식이 아니라 구조적 완성도에서 승부가 날 것이다.

 

10. 결론 — 셀 구조 혁신은 전기차 진화의 숨은 엔진이다

많은 이들이 배터리 혁신이라 하면 리튬, 니켈, 전고체 같은 화학 소재만을 떠올린다.
그러나 진짜 혁신은 셀 내부의 ‘배치와 구조’에서 일어나고 있다.

CTP, CTC, 4680, 단결정 전극, 초박막 분리막 —
이 모든 기술은 **“같은 공간에서 더 많은 에너지를 저장하기 위한 인간의 도전”**이다.

전기차의 주행거리가 1회 충전으로 1,000km를 넘어서고,
충전 시간이 10분 이하로 줄어드는 그날의 배경에는
이런 셀 구조 혁신이 있다.

전기차의 미래는 이제 화학식이 아닌 설계의 예술이 될 것이다.
그 정점에 ‘셀 아키텍처 혁명’이 자리하고 있다.