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전지의 이해
2차 배터리(전지)의 개념과 미래 발전 가능성
2차 배터리(전지)의 개념과 역사
2차 배터리(전지)란 쉽게 말해 방전된 이후에도 충전을 통해 재사용이 가능한 전지를 의미합니다. 반면, 1차 전지는 충전하여 재사용할 수 없는 전지로 우리가 일상생활에서 자주 사용하는 건전지, 알칼리 전지 등이 이에 해당합니다.
놀랍게도 2차 배터리는 상당히 오랜 역사를 갖고 있습니다. 무려 1900년대 최초개발(당시 납축전지 형태)되었으며 이후 꾸준히 발전을 거듭하다가 1991년 큰 전환기를 맞이하게 됩니다. 일본 Sony사가 최초로 리튬이온전지 상업화에 성공하게 된 것입니다. 현재 사용되고 있는 주류 2차 전지 제품 역시 리튬이온전지로 당시 원천 기술을 근간으로 삼고 있습니다.
[ 2차 배터리(전지)의 역사 ]
2차 배터리(전지)의 작동원리와 핵심요소
물론 리튬이온전지 역시 단점은 존재합니다. 온도 관리가 제대로 되지 못할 경우 안전사고가 발생할 수 있기 때문입니다. 이 부분을 이해하기 위해 잠시 리튬이온전지의 작동원리를 살펴보겠습니다. 리튬이온전지는 기본적으로 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응으로 전기를 생산합니다. 이때 추가적으로 양극과 음극 사이에서 리튬이온의 이동통로 역할을 해주는 물질인 전해액과 양극과 음극이 닿지 않고 전해액에 다른 물질이 침범하지 않도록 방어해주는 분리막이 필요합니다. 그래서 일반적으로 양극재, 음극재, 전해액, 분리막을 리튬이온전지의 필수 4가지 요소라고 이야기합니다.
다시 본론으로 돌아가서 안전사고는 리튬이온만 이동해야 하는 전해액에 다른 요소가 침투하게 되면서 주로 발생합니다. 즉, 안전막이 외부의 충격이나 높은 온도로 방어기능을 상실하게 된 경우를 의미합니다. 종종 뉴스를 통해 접하게 되는 배터리 폭발사고가 리튬이온전지 사고의 대표적인 결과입니다. 뒤에서 다루겠지만, 이와 같은 문제점을 해결하고자 최근 각국에서는 많은 연구가 이루어지고 있습니다.
[ 2차 전지 작동원리 구성요소 ]
전기차(EV)기반 2차 전지 산업의 밸류체인(Value Chain)
향후 리튬이온전지의 쓰임이 앞으로 가장 많을 것으로 예상되는 산업은 단연, 전기차 분야입니다. 전기차에는 기존 스마트폰, 노트북, 무선충전기에 쓰이는 규모와 비교할 수 없는 수준의 배터리를 필요로 하기 때문입니다.
그렇다면 전기차 기반 2차 전지 산업의 밸류체인은 어떻게 구성되어 있을까요? 먼저 앞서 살펴본 4대 핵심소재 생산에서부터 밸류체인은 시작됩니다. 2단계로 소재들을 한데 모아 배터리 소자를 제작하는 과정을 거치게 됩니다. 이때 탄생되는 배터리 소자가 배터리 셀(Cell) 1개 단위가 됩니다. 3단계에서는 배터리 셀(Cell)들을 다시 모아 특정 프레임에 장착하는 과정이 진행됩니다. 이 때 완성되는 것이 배터리 모듈(Module)입니다. 그리고 최종적으로 다시 배터리 모듈(Module)들을 모아 온도제어장치 등을 추가하여 차량에 장착되는 배터리 팩(Pack)이 완성됩니다. 이후 2차 전지는 수명을 다할 때까지 사용되다가 성능이 저하되면, 몇 가지 처리작업을 거쳐 재사용되는 절차를 거치게 됩니다.
[ 전기차 배터리 시장의 밸류체인 구성 ]
| 단계 | 과정 | 세부내용 | |
|---|---|---|---|
| 생산단계 | 1 | 배터리 소재생산 | 배터리의 기본 소재인 양극재, 음극재, 전해액 등 생산 |
| 2 | 배터리 셀(Cell) 생산 | 배터리 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 프레임에 넣은 배터리 조립체 | |
| 3 | 배터리 모듈(Module) 생산 | 리듐이온 배터리의 기본 단위. 생산된 소재를 사각 알루미늄 케이스에 넣어 셀(Cell)제작 |
|
| 4 | 배터리 팩(Pack) 조립 | 전자차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태. 배터리 모듈을 모아 각종 처리작업을 거쳐 팩 형태로 조립 | |
| 사용단계 | 5 | 배터리 장착 | 완성된 팩을 전기자동차에 장착 |
| 6 | 배터리 사용 | 배터리 수명기간까지 사용 | |
| 7 | 배터리 재사용 | 재정비 과정을 거쳐 재사용 | |
대략 소형차(2017년 BMW i3모델)를 기준으로 보았을 때 96개 정도의 배터리 셀(Cell)이 장착됩니다. 이와 동일한 배터리 성능은 아니지만, 최근 출시된 아우디 e-tron모델(준대형 SUV)에는 총 288개의 셀이 탑재됩니다. 이는 스마트폰의 수천배 규모의 전력에 해당됩니다. 전기차에는 이처럼 엄청난 규모의 배터리가 사용되기 때문에 전기차와 배터리는 서로 보완재 관계에 놓이게 되는 것입니다.
[ 2017년 BMW i3모델 기준 전기차 배터리 사용 예시 ]
전기차(EV)기반 2차 전지 산업의 밸류체인(Value Chain)
현재 배터리 시장은 우리나라와 중국, 일본이 장악하고 있는 형국입니다. 업체별로 살펴보았을 때는 우리나라의 LG화학과 중국의 CATL 그리고 일본의 파나소닉이 3강을 이루고 있습니다. 최근 통계에 따르면 올해 상반기를 기준으로 우리나라 업체들이 폭발적인 성장을 기록하며 시장 점유율을 넓히고 있는 것이 확인됩니다. 특히, LG화학은 지난해 동기 대비 82%가 넘는 성장을 기록하며 점유율 1위를 차지하였습니다.
[ 2019/2020년 상반기 주요 배터리 업체 현황 비교 ]
| 기업명 단위:Gwh |
지역 | 2019년 (1월말~6월말) |
2020년 (1월말~6월말) |
성장률 | 2019년 점유율 |
2020년 점유율 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LG화학 | 대한민국 | 5.7 | 10.5 | 82% | 10.4% | 24.6% |
| CATL | 중국 | 13.9 | 10.5 | -28% | 25.1% | 23.5% |
| 파나소닉 | 일본 | 12.7 | 8.7 | -31% | 22.9% | 20.4% |
| 삼성SDI | 대한민국 | 1.9 | 2.6 | 35% | 3.4% | 6.1% |
| BYD | 중국 | 7.5 | 2.6 | -66% | 13.6% | 6.1% |
흥미로운 점은 업체들간의 기술격차가 크지 않다는 점입니다. 더욱이 현재 리튬이온 배터리에 사용되는 기술로는 추가적인 발전에 한계가 있는 상황입니다. 전기차가 더 멀리, 강하게 움직이기 위해서는 고효율 고용량의 배터리가 필수적입니다. 그런데 성능에 비례하여 배터리의 부피와 무게 역시 동반 상승하게 되는 문제점이 발생하기 때문입니다.
차세대 배터리 시장의 개막
현재 리튬이온 배터리 기술의 한계를 뛰어넘기 위한 노력들도 계속되고 있습니다. 그 중 대표적인 대상이 바로 전고체 배터리 기술입니다. 전해질과 분리막 기반의 리튬이온 배터리 기술의 가장 큰 문제점은 안전사고 발생가능성이 있다는 것입니다. 배터리의 구성 형태 역시 제한될 수 밖에 없습니다.
전고체 배터리는 지금의 리튬이온 배터리 기술의 근간은 유지하되 전해질(액체)을 고체로 바꿔 단점을 극복하고자 하는 기술입니다. 전해질을 고체로 사용하다 보니 전해질 유출로 인한 안전사고 발생위험이 줄어들게 됩니다. 분리막 역시 필요하지 않게 됩니다. 자연스럽게 부피가 작아질 수 있음은 물론 배터리의 형태 역시 다양해 질 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 배터리 무게, 부피 감소로 차량의 에너지 효율성이 높아지게 됩니다.
[ 리튬이온/전고체 배터리 비교 ]
일본 후지경제연구소는 세계 전고체 전지 시장이 2035년엔 2조7877억엔에 이를 것으로 전망하고 있습니다. 높은 성장성이 예상되는 만큼 주요 배터리 업체들은 전고체 배터리 개발에 총력을 기울이고 있는 상황입니다. 시장에서는 대체로 일본이 적극적인 투자를 통해 전고체 배터리 시장에서 우위를 점할 가능성이 높은 것으로 예상하고 있습니다. 일본 자동차 회사인 도요타의 경우 2022년까지 전고체 배터리를 장착한 전기차를 출시하는 것을 목표로 하고 있습니다.
