메가트렌드, '차세대 이차전지' 완전정복

요약

• 이차전지 - 에너지 저감, 환경보호의 메가트렌드
• 기존 이차전지의 단점을 보완한 차세대 이차전지 개발
• 아연공기 전지, 리튬황 전지, 리튬공기 전지, 나트륨이온 전지
• 빠르면 2018년부터 차세대 이차 전지가 전기차 시장에 등장할 예정

최근 중국정부가 삼성SDI와 LG화학이 생산한 2차전지에 대해 보조금 지원대상에서 제외하면서 관련주들이 급락했었습니다. 그럼에도 불구하고 개인적으로는 전기차는 좀 더 장기적인 트렌드로 바라보고 오히려 지금처럼 일시적으로 떨어졌을 때 조금씩 매수해볼 수 있지 않을까 하는 생각도 있습니다. 이 부분에 대해서는 조금 더 고찰 한 후에 다시 논의할 필요가 있겠습니다. 이럴 때일수록 주주분들께서는 공부할 시간을 가지시는 게 좋을 것 같습니다. 그런 의미에서 이차전지 관련하여 정리한 글을 공유하고자 합니다. 

친환경에 대한 뜨거운 관심으로 말미암아 세계 주요 국가들은 전기차 개발 및 상용화에 열을 올리고 있습니다. 여러 완성차업체들은 이러한 세계적인 트렌드에 따라 전기차(EV 또는 PHEV)를 시장에 선보였습니다. 하이브리드의 시초인 도요타의 프리우스부터 쉐보레의 볼트, 테슬라의 모델 S, 그리고 최근에 출시한 현대차의 아이오닉까지 모두 전기차에 대한 시장의 들뜬 기대를 꾸준히 이어가게 만듭니다.

오늘은 특별히 전기차의 핵심 부품인 이차 전지에 대해서 알아보려고 합니다. 오늘날 우리가 접할 수 있는 이차 전지의 종류와 앞으로 어떤 차세대 이차 전지가 사용될 지에 대해 공부해봅시다.

이차 전지

이차전지란 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있게 만든 전지이며 축전지(storage battery), 충전식 전지 혹은 충전지(rechargeable battery)라고 부릅니다

우리가 흔히 접할 수 있는 이차 전지는 니켈카드뮴 전지(NiCd), 니켈수소 전지(NiMH), 리튬이온 전지(Li-ion), 리튬이온폴리머 전지(Li-ion polymer), 리튬인산철 전지(LiFePO₄), 납 축전지(lead-acid accumulator) 등이 있습니다.

니켈카드뮴 전지는 저용량의 전지이지만, 상당히 높은 안정성과 방전률을 가지고 있습니다. -30°c의 혹한에서도 제 성능을 보이며, 이로 인해 비상조명 시장에서 많이 사용되고 있습니다.

니켈수소 전지는 니켈카드뮴 전지보다 2배의 에너지 밀도를 갖기 때문에 수명은 2배입니다. 수소를 사용해서 카드뮴에 비해 비교적 무해하나, 수소를 전극에 입히는 기술로 인해 가격이 비쌉니다. 

출처: Panasonic

리튬이온 전지는 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하며, 충전 과정에서는 이온이 음극으로 다시 이동하는 전지를 말합니다. 에너지 밀도가 높고 메모리 효과가 없으며 자연방전의 수준도 높지 않기 때문에 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 소형 리튬이온 전지부터 중대형 리튬이온 전지까지 현재 우리의 삶에서 가장 흔하게 볼 수 있는 전지입니다. 그러나 폭발할 위험이 크며 가격이 비쌉니다.

리튬인산철 전지는 기존 리튬 전지의 단점인 충방전 사이클 수명을 크게 늘렸으며, 폭발 및 발화의 위험성을 크게 줄여 이차 전지 중에 가장 탁월한 성능을 보입니다. 그러나 가격이 비싸고 아직 신뢰성 문제가 있어 사용량은 크지 않습니다.

출처: Electropedia

리튬이온 전지리튬폴리머

리튬을 이용해서 충전하는 방식의 이차 전지이며, 핵심요소는 양극, 음극, 전해질, 분리막입니다. 리튬이온 전지는 액체형태로 구성되어 있는 반면 리튬폴리머 전지는 액체가 아닌 고분자 젤(폴리머)을 이용하며 파우치 형태로 생산되는 것을 뜻합니다.

리튬폴리머 전지는 사이즈에 따른 커스터마이징이 가능하다는 장점을 가지고 있기 때문에, 어떤 스마트기기나 무선장치에도 사용이 가능합니다. 대신 리튬폴리머 전지는 리튬이온 전지에 비해 복잡한 제조공정이 요구되고 가격 또한 훨씬 높다는 단점을 가집니다.

리튬은 희소 금속으로 그 매장량이 충분하지 않기 때문에, 리튬이온 전지에 대한 수요가 늘어나면서 그 고갈 가능성이 지속적으로 제기되는 상황입니다. 그래서 리튬이온 전지의 가격은 리튬(원자재)의 가격에 연동되어 계속 증가할 전망이고 이는 리튬이온 전지 관련 생산업체들에게 큰 부담으로 작용하고 있습니다.

또한 리튬은 양극과 음극 모두가 전지 안에 있으며 리튬이온 전지에 사용되는 유기성 전해액이 휘발성 물질이기 때문에 폭발 위험이 큽니다.

현재 전기차 시장에서 가장 중요한 리튬 전지의 종류에 대해서 좀 더 알아봅시다.

리튬 전지 소재비의 35%를 차지하는 양극활물질에 따라 전지의 종류는 LCO, NCM, NCA, LMO 및 LFP로 구분됩니다. 전기차 배터리의 양극재는 주로 NCM, NCA, LMO, LFP가 사용됩니다.

NCM과 NCA는 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 알류미늄(Al)으로 대체한 삼원합금 물질을 양극재로 사용하는 전지이며, NCM은 IT용 뿐만 아니라 전기차용 중대형 리튬 전지에도 적용되고 있는 주력 소재입니다. LMO와 LFP는 경제성과 안정성이 우수하여 전기차용 리튬 전지로 일부 적용되고 있습니다. 그러나 LMO는 작동온도가 60도 이상으로 상승하면 전해액에 용해되는 구조적 불안정성이 단점이며, LFP는 순도 및 전기전도도 개선이 필요합니다.

BMWi3의 경우 NCM과 LMO를 사용하고 있으며 Nissan Leaf는 LMO와 NCA를 같이 사용하는 것으로 알려져 있습니다. 테슬라는 모든 자동차 라인업에 NCA를 적용했습니다. 중국 전기차의 경우 대부분 LFP 소재를 사용하고 있지만, 해당 소재의 단점으로 인해 중국 업체들의 제외하고는 어떤 업체도 아직 해당 소재를 채택하지 않았습니다.

출처: AAB, 메리츠종금증권 리서치센터

국내 업체 중에서 에코프로는 NCM과 NCA를 모두 생산하고 있으며 엘엔애프는 LCO와 NCM을 생산하고 있습니다. 그 외 포스코 ESM과 한화케미칼은 각각 LMO와 LEF를 제조합니다. Panasonic을 비롯한 일본 업체들(Umicore, Nichia 등)이 양극 소재 시장에서 앞서고 있는 양상을 관찰할 수 있습니다

차세대 전지

기존 리튬이온 전지의 한계점은 가격, 에너지 밀도, 안정성 등 여러 가지 측면에서 나타나고 있으나, 안타깝게도 이러한 모든 요소를 한 번에 해결할 수 있는 차세대 전지는 존재하지 않습니다. 그러나 차세대 전지의 개발을 통해 각 개별 용도에 적합한 전지시스템을 선택적으로 적용할 수 있는 폭이 넓어질 것으로 기대합니다.

현재 아연공기 전지, 리튬황 전지, 리튬공기 전지, 나트륨이온 전지가 차세대 이차 전지로 관심을 받고 있으며, 이외에도 마그네슘 등을 이용한 전지를 개발하고 있습니다.

아연공기 전지(Zinc-air Battery)

• 양극 소재는 산소(Air Electrode), 음극 소재는 아연을 이용하는 아연공기 전지는 20년 전부터 연구되어 왔으며 현재 미군의 군용 배터리로 사용되고 있습니다.

• 아연은 리튬에 비해 매장량도 풍부하고 가격도 훨씬 저렴하므로 값싸게 제조할 수 있으며 기존 리튬이온 전지에 비해 안정성이 상당히 높습니다. 비싼 백금을 써야 하는 문제점이 있었으나 최근에는 이를 대체할 수 있는 복합물질이 개발되며 원가가 낮아질 전망입니다.

• 전지 내부가 음극으로만 구성돼 인화성이 없으며 공기를 양극 소재로 사용하기 때문에가격이 리튬이온 전지의 절반 이하에서 거래될 전망입니다.

• 미국의 ElectriFuel社가 처음으로 아연공기 전지를 생산한 뒤에 독점해왔으나 현재는 EOS Energy (미국), Wuhan (중국), Toyota (일본), BASF (독일) 등 여러 기업이 개발 및 생산에 참여하고 있습니다. 한국에서는 세계 두 번째로 아연공기전지를 상용화한 EMW 에너지라는 국내 기업이 있습니다.

• 2018년쯤 전기차를 위한 아연공기 전지의 양산이 이뤄질 것으로 알려져 있습니다.

리튬황 전지(Li-sulfite battery)

• 양극 소재로 황, 음극 소재로 리튬을 이용하는 리튬황 전지는 에너지 밀도가 이론적으로 리튬이온 전지보다 휠씬 높은 것으로 알려져 있습니다.

• 양극소재로 사용되는 황은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있다는 장점이 있습니다. 최근 저가격 고용량 이차 전지에 대한 관심이 증가하면서 각광을 받고 있습니다.

• 그러나 리튬황 전지의 낮은 수명과 낮은 전기전도도를 가진 양극 소재인 황의 특성으로 인해 아직 개발이 많이 필요합니다.

출처: 한국과학기술연구원

출처: 한국과학기술연구원

리튬공기 전지(Li-air battery)

• 양극 소재로 산소, 음극 소재로 리튬을 이용하며, 리튬이온 전지와 비슷한 구성으로 생산됩니다.

• 가벼운 산소를 외부로부터 공급받아 전지가 작동하므로 이론적으로 3000 Wh/Kg 이상의 에너지 밀도를 갖고 있으며, 에너지 밀도가 차세대 이차 전지 후보군에서 가장 큽니다.

• 전해질의 종류에 따라 유기계(Aprotic), 수계(Aqueous), 고체형(Solid State), 하이브리드형(Mixed Aqueous and Aprotic)로 구분되며, 그 중에서 유기계 리튬공기 전지가 가장 많은 연구가 이루어집니다. 

출처: 한국과학기술연구원

나트륨이온 전지(Na-ion battery)

• 양극 소재로 황, 음극 소재로 나트륨을 주로 사용하며, 양극과 음극 사이를 나트튬 이온이 이동하면서 충전과 방전을 반복하는 원리를 가지고 있습니다.
• 나트륨은 지구상 6번째로 많은 원소로 자원 고갈의 우려가 없으며, 양극 합성 소재 가격도 훨씬 낮습니다. 이에 다른 이차 전지보다 가격이 낮을 것으로 기대됩니다.
• 나트륨이온 전지의 에너지 밀도는 리튬이온 전지와 비슷한 수준이지만, 충방전 횟수가 2000번에 달해 더욱 효율적입니다.
• 그러나 같은 크기에 리튬이온 전지만큼의 효율을 내기 위해 불가피하게 집적 수준을 높였으며, 그 결과 리튬이온 전지보다 훨씬 무겁습니다. 그래서 소형 가전에서는 쓰이지 못하지만 산업용으로 사용될 전망입니다.

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