Energy & Future Tech

이차전지(배터리)

Abstract

A secondary battery, also known as a rechargeable battery, is a type of battery that can be recharged and reused multiple times. It is designed to store and release electrical energy through reversible chemical reactions. Unlike primary batteries, which are disposable and cannot be recharged, secondary batteries offer the advantage of sustainability and cost-effectiveness.
Secondary batteries offer the advantages of rechargeability, longer-term usability, and reduced waste compared to primary batteries. They find extensive use in portable electronics, electric vehicles, renewable energy storage, and backup power systems. The ongoing research and development in battery technology aim to improve energy density, cycle life, safety, and environmental sustainability of secondary batteries.
Secondary batteries come in various chemistries, each with its own characteristics and applications:
- Lead-Acid Batteries: Lead-acid batteries are one of the oldest and most common types of secondary batteries. They are widely used in automotive applications, uninterruptible power supplies (UPS), and renewable energy systems. Lead-acid batteries are relatively low-cost but have a limited energy density and require regular maintenance.
- Lithium-Ion Batteries: Lithium-ion (Li-ion) batteries have gained significant popularity due to their high energy density, lightweight, and long cycle life. They are used in numerous portable electronic devices such as smartphones, laptops, and electric vehicles (EVs). Li-ion batteries offer excellent performance but require careful handling and monitoring to ensure safety.
- Nickel-Cadmium Batteries: Nickel-cadmium (NiCd) batteries have been widely used in the past but are less common today due to environmental concerns related to cadmium. They have a high cycle life, good performance in cold temperatures, and are still used in certain applications such as emergency lighting and two-way radios.
- Nickel-Metal Hydride Batteries: Nickel-metal hydride (NiMH) batteries are a popular alternative to NiCd batteries, offering a higher energy density and being more environmentally friendly. They are commonly used in portable electronics, hybrid vehicles, and cordless power tools. NiMH batteries have a longer cycle life compared to NiCd batteries but are less commonly used due to competition from Li-ion batteries.
- Sodium-Ion Batteries: Sodium-ion batteries are a promising alternative to lithium-ion batteries, especially for large-scale energy storage applications. They utilize sodium ions instead of lithium ions, making them potentially more abundant and cost-effective. Sodium-ion batteries are still under development and have not yet achieved widespread commercialization.

전지 기술 및 미래 전망

1. 2차전지 원리

2차전지인 리튬이온 배터리는 양극(Cathode)재와 음극(Anode)재의 두 전극(Electrode), 전해질(Electrolyte) 그리고 양극재와 음극재가 서로 닿지 않게 해주는 분리막(Separator)으로 이뤄져 있으며, 충전을 통해 500~2000번까지 반복해 사용할 수 있어 경제적이고 친환경적이다.
자동차를 움직일 수 있도록 충전하는 과정은 양극의 리튬이온이 전해질을 통해 음극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통행 집전체(Current Collector)로 이동하는 화학적 반응을 통해 이뤄진다. 반면, 방전은 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 되돌아가는 과정으로 이때 에너지를 방출(방전)하는 것이다.
이차전지의 원가 구성은 양극재 47%, 음극재 12%, 분리막 14%, 전해액 12% 기타 조립 등 15% 정도로 이차전지의 원가는 양극재인 리튬 가격에 크게 좌우된다.
리튬이온 배터리의 장점은 2차전지의 단점이었던 메모리 현상이 없고, 경량화 및 소형화가 가능하며, 짧은 충전시간 대비 수명이 오래 갈 뿐만 아니라 납이나 수은 등의 유해물질이 없다

※ 메모리 현상이란 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전할 때 배터리 수명이 줄어들게 되는 현상을 말한다.

2. 삼원계(NCM) 배터리와 리튬인산철(LFP) 배터리

리튬이온 배터리는 양극재 물질에 따라 크게 NCM(삼원계 또는 사원계) 리튬이온 배터리와 LFP 리튬이온 배터리로 구분된다. 양극재 재료로 NCM 배터리는 리튬 코발트 산화물을 사용하고, LFP 배터리는 코발트 대신 인산철염을 넣은 양극재를 사용한다.

(1) 삼원계(NCM) 배터리

삼원계(NCM) 배터리는 양극재가 니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)으로 구성된 산화물을 의미하며, 양극재를 구별할 때 622, 333 등의 숫자로 보실 수 있다. 여기서 숫자는 구성 성분비를 나타내며, 622의 경우 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20% 비율로 구성된 양극재임을 의미함
니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)의 함량에 따라 양극재의 화학적 특성이 변하는데, 일반적으로 니켈 함량이 높을수록 용량은 높아지는 반면 소재의 열 안전성은 낮아지는 특성이 있음
삼원계 배터리는 LFP 배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 주행거리가 길고 배터리 충전 시간이 짧은 반면, LFP 배터리보다 가격이 비싼 단점이 있음
LG, SK, 삼성 등 한국 업체들은 NCM 배터리는 주로 생산하고 있음

(2) 리튬인산철(LFP) 배터리

LFP 배터리는 양극재로 리튬 인산철(Li-FePO4)을 사용하는 배터리를 말하며, 배터리 가격이 저렴하고 수명이 길며 350도 이상의 고온에서도 폭발하지 않아 안정성이 높다는 장점이 있음.
단점으로는 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧고, 순간 출력이 약하며 무게가 무겁다는 특징이 있음.
LFP 배터리는 주로 중국 업체들이 생산하고 있으며, 최근 기술 진화로 에너지 밀도가 향상되고, 전기차 가격 경쟁이 가열되면서 LFP 배터리를 탑재하는 글로벌 완성차 업체의 관심이 증가하고 있음.

3. 배터리의 변천사

리튬이온의 원리에 관한 연구는 1970년대에 이뤄졌다. 엑손사 연구진은 음극재로 순수한 리튬을 사용했으나 폭발위험으로 리튬 알루미늄 합금으로 옮겨갔으나 한계에 봉착, 이후 일본의 요시노 아키라는 폴리아세틸렌을 연구하던 중 탄소 소재가 리튬과 잘 반응하여 에너지를 저장할 수 있다는 알아냈으며, 오늘날 음극재로 흑연이 사용되는 계기가 되었다.
음극재인 흑연은 탄소로 이뤄졌으며 1990년부터 현재까지 사용되고 있다. 탄소 음극재는 성능은 우수하지만, 배터리 부피의 절반 이상을 차지하는 문제를 가지고 있어 대체제로 주석(Sn), 이나 실리콘(Si) 등이 고려되고 있다.
양극재는 배터리 가격에 가장 큰 영향을 주는 만큼 매우 중요한 소재로 전자를 잘 전도하는 물질일수록 이온을 받아들이는 데 유리하여 에너지 밀도를 개선하는 동시에 고가의 코발트 사용을 줄일 수 있는 High-Ni 양극재 기술 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.

1) 이차전지와 일차전지 구분

(1) 이차전지

2차전지(Rechargeable battery 또는 Storage battery 또는 Secondary cell)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 배터리로 과거에는 축전지(Accumulator)로 불리었다. 일반적으로 이차전지는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-메탈 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있다.
이차전지는 한 번 쓰고 버리는 일차전지(Primary cell 또는 Disposable Battery)에 비해 여러 번 충전할 수 있다는 장점은 있지만 일차전지에 비해 더 비싸고 내부 소재의 독성이 더 강한 편이다.

(파우치형 배터리 셀과 팩)

(원통형 배터리 셀과 팩)

(2) 일차전지

일차전지는 전지 내의 전기 화학반응이 비가역적이기 때문에 한 번 쓰고 버리는 일회용 전지를 말하며, 시중에서 AAA, AA, A, B, C, D 등의 규격으로 생산․판매되고 있는 배터리로 이차전지에 비해 환경에 주는 독성 물질의 영향이 적다.
일차전지는 양극 또는 음극 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두를 소진함으로써 수명을 다하는 구조로 이차전지에 비해 자연방전이 훨씬 느리게 일어나도록 제작되어 있다.

4. 배터리의 경쟁력 강화 방안

1) 에너지 밀도

배터리 성능을 획기적으로 향상시키기 위해서는 에너지 밀도 향상에 달려 있다고 볼 수 있으며, 이는 전기차의 가장 중요한 요소인 1회 충전 시 주행거리에 영향을 주기 때문이다. 반면 오늘날 배터리의 에너지 밀도는 이론적 수치의 30%에도 미치지 못하고 있다.
배터리 제조사들은 에너지 밀도 개선을 위해 양극재의 니켈 함량 증가, 음극재의 실리콘 첨가 등을 통한 개선을 꾀하고 있다. 일반적으로 배터리의 에너지 밀도가 높아지면 열 안전성은 낮아지는 단점이 있다.

2) 수명연장

일반적으로 전기차의 충·방전 횟수는 800회 수준으로, 배터리 제조사들은 안정적인 양극재 및 신규 전해질 도입 등을 통해 수명 개선을 위해 노력하고 있다.

3) 충전 속도

급속충전을 위해서는 고전압 고전류 구동이 가능한 배터리가 필요하며, 음극재에 실리콘을 첨가하여 리튬 흡수량을 개선하는 방법 등으로 충전 속도 개선을 꾀하고 있다.

4) 가격경쟁력

전기차는 향후 10년 이내에 내연기관차 수준의 가격경쟁력을 갖출 것으로 전망되며, 코발트 비중을 줄인 양극재 사용 등을 통한 배터리 가격 하락이 전기차 가격경쟁력의 핵심이 될 것으로 전망된다.

(전기버스와 버스용 배터리)

5. 배터리 핵심 소재와 기술 개발

2차전지는 양극(Cathode)재, 음극(Anode)재, 전해질(Electrolyte) 그리고 분리막(Separator)으로 크게 구성되며, 전지용량, 안정성 등 배터리 성능에 직접적인 영향을 미친다.

1) 양극재(Cathode): 배터리의 용량과 전압을 결정

양극재는 리튬 금속 산화물로 구성된 소재로 배터리의 용량, 에너지 밀도, 출력, 안정성 등 주요 성능을 결정하며, 구성 물질에 따라 NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li[Ni,Co,Al]O2), LFP(LiFePO4) 등으로 구분된다.
양극재 개발은 에너지 밀도를 개선하는 동시에 고가의 코발트 사용을 줄일 수 있는 High-Ni 소재에 대한 기술 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.
특히, 니켈 80% 이상의 High-Ni 양극재를 생산하며, 니켈 90% 이상의 양극재를 개발하고 있다. 또한 니켈 비중을 높일수록 수명이 줄어들고 안정성이 낮아지는 단점을 극복하기 위해 NCMA(NCM+Al) 등 High-Ni 양극재에 신규 소재를 도핑하는 방식도 등장하고 있다.

2) 음극재(Anode): 양극으로부터 나온 리튬이온을 흡수/방출하면서 전기를 발생시키는 물질

음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 흡수 방출하면서 외부회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 한다. 특히 기존의 천연흑연에서 인조흑연으로 대체되는 동시에 실리콘 첨가 등도 늘어나는 추세이다.
인조흑연은 천연흑연 대비 고가이나, 내부구조가 균일하고 안정적이므로 급속충전·수명연장에 유리하며, 실리콘은 흑연 대비 저장할 수 있는 리튬이온이 많으므로 에너지 밀도 향상에 유리하나 충·방전 시 부피 팽창이 심한 단점이 있어, 흑연과 혼합하여 사용된다.

3) 전해질(Electrolyte): 전지 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 물질

전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 물질로서 배터리의 안정성, 수명, 출력 등 다양한 성능에 영향을 줄 수 있으며 전해액의 종류 및 배합 비율을 달리하여 전지 성능 개선이 이뤄지고 있다.
배터리의 안정성 향상, 수명연장, 출력 개선 등을 위해 기존 전해질(LPF6)에 F전해질(LFSI), P전해질(LP<2F2) 등 다양한 첨가제 사용 등도 이뤄지고 있다.

4) 분리막(Separator): 양극과 음극 활물질이 서로 섞이지 않도록 분리해주는 막(Membrane)

분리막은 배터리 성능을 직접적으로 결정하는 소재는 아니지만, 양극과 음극을 분리하여 화재 폭발 등 사고를 방지함과 동시에 리튬이온의 전극 간 이동을 가능하게 해주는 다공성 필름, 생산방식에 따라 건식분리막과 습식분리막으로 구분되며, 우리나라 배터리 3사는 습식분리막을 주로 사용하고 있으며, 최근에는 분리막의 고온 변형 문제를 해결하기 위해 습식분리막에 세라믹을 코팅하여 사용하기도 한다.

(전기차 배터리 구성)

6. 향후 전망

1) 완성차 업체들의 배터리 수직계열화 시도

최근 주요 전기차 업체들은 제조원가의 약 40% 비중을 차지하는 배터리를 수직계열화하려는 적극적인 움직임을 보이고 있다.
이는 안정적인 부품 조달뿐만 아니라 전기차 Body를 배터리 팩으로 활용하는 등 제조사만의 플랫폼에 최적화된 배터리를 규격화하여 적용함으로써 원가를 절감하고자 노력하고 있다.

2) 완성차-배터리 업계 내 활발한 협업 증가

완성차 제조사와 배터리 제조사 간의 배터리 동맹이 강화되고 배터리 제조사와 소재 업체 간 협력도 강화되는 추세이다. 특히 미국의 IRA 법안 발효로 현지 완성차 OEM 업체들뿐만 아니라 미국 시장 진출을 노리는 전 세계 주요 자동차 업체들은 배터리 셀, 소재 현지화 전략을 반드시 구축해야 하는 상황이다.

3) 배터리 업체들의 규모의 경제를 통한 기술‧가격 경쟁력 확보

배터리 산업 영위 기업들은 연관 사업으로 활발한 영역 확장 중이며, 앞으로도 적극적인 내재화를 통해 기존 사업과의 시너지 제고를 추구할 전망이다. 특히, 시장 규모 확대, 완성차 제조사와의 합작사 설립 등에 대응하기 위한 배터리 제조사들의 공격적 증설이 이어질 전망

4) 전고체 배터리 개발 노력 지속

전고체 배터리는 전해질이 고체로 되어 있는 전지로 리튬이온 배터리의 기술적 한계, 즉 에너지 밀도 향상, 안전성 문제 개선, 부피 감소 등 현 배터리의 단점을 극복할 수 있을 것으로 전망된다.

① 에너지 밀도가 리튬이온 배터리 300~400Wh/kg → 전고체 배터리 400~500Wh/kg

② 가연성인 액체 전해질이 고체 전해질로 대체되면서 안정성이 크게 향상되어 배터리 폭발 위험성 감소

③ 분리막이 사라지기 때문에 배터리 부피가 줄어들어 공간 활용 우수

5) LFP(리튬인산철) 배터리 적용 증가 전망

전기차 생산업체들은 기존의 NCM(니켈·코발트·망간) 등 삼원계 배터리보다 단가가 낮은 LFP(리튬인산철) 배터리를 사용을 고려하고 있다. 다만, LFP 배터리는 세계 배터리 점유율 1위인 닝더스다이(CATL) 등 중국 기업들이 주로 생산하고 있어 부담 요인이며, 통상적으로 삼원계 배터리보다 에너지 밀도가 낮아 주행 가능 거리가 짧다는 단점이 있다.

※ 참고 자료

- M. 스탠리위팅엄, 거브랜더시더, 강기석, 최장욱(2021)“배터리의 미래” 최종형 학술원

- 신유리(2021) “전기차용 이차전지의 시장 트렌드 및 기술 개발 동향” KDB미래전략연구소

- 정원석(2022) “이차전지 산업 현황 및 전망” 하이투자증권

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