요즘에는 전기 자동차, 에너지 저장 시스템, 모바일 기기, 로봇 등 다양한 분야에서 2차 전지의 수요가 급증하고 있습니다. 이러한 전기 기기들은 모두 내부에서 작동하는 전기 에너지를 필요로 하기 때문에, 더욱 강력하고 효율적인 2차 전지가 필요로 합니다.
전기 자동차는 환경 친화적이면서도 경제적이기 때문에 전 세계적으로 인기가 높아지고 있습니다. 하지만 사실 전기자동차 배터리가 정말 친환경적인부분에서는 사실 논란이 많기도 합니다.
자동차 뿐만 아니라 더 다양해진 모바일 기기와 인공지능 로못등에도 2차 전지를 필요로 합니다. 이러한 기기들은 작고 가벼운 2차 전지를 필요로 하기 때문에, 소형이면서도 높은 에너지 밀도를 가진 2차 전지가 필요합니다.
또한 에너지 저장 시스템(ESS)도 2차 전지를 필요로 합니다. 이러한 시스템은 발전소에서 생산된 전기를 저장하여 필요할 때 사용할 수 있도록 하느데, 대규모 ESS는 전력 그리드 안정성을 높이는데 큰 역할을 하고 있습니다.
전기차 배터리 종류와 구조, 그리고 작동원리
현재 전세계의 2차 전지 배터리의 주류인 리튬이온 배터리는 크게 4가지 요소로 이루어져 있습니다. 양극재, 음극재, 전해액, 분리막. 이 배터리는 양극(+), 음극(-) 물질의 산화환원 반응으로 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치입니다.
이러한 양극재, 음극재, 전해액 및 분리막은 리튬 이온 배터리의 핵심 요소입니다. 이들 요소의 조합과 특성은 전지의 성능과 수명에 큰 영향을 미치게 됩니다.
양극(+)은 양전하를 가진 리튬 이온을 방출하고, 음극(-)은 음전하를 가진 전자를 받아들입니다. 양극(+)은 일반적으로 금속산화물(예: 산화코발트)로 구성되며, 음극(-)은 탄소(예: 석탄, 석유 코크스)로 구성됩니다.
쉽게 이야기를 하면, 양극(+)의 리튬 이온이 음극(-)으로 이동을 하면 배터리가 충전되고, 그와 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면 배터리가 방전이 됩니다.
전해액은 리튬 이온을 운반하고, 음극과 양극 사이의 전기를 전달하는 역할을 하는데, 전해액은 일반적으로 유기 용매(예: 에틸렌 카본산)와 리튬 염으로 구성됩니다.
분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리합니다. 분리막은 전해액을 통해 리튬 이온의 이동을 허용하지만, 양극과 음극을 직접적으로 접촉하지 않으므로 전기적으로 접촉하지 않게 됩니다. 분리막은 일반적으로 폴리머(예: 폴리에틸렌)로 만들어져 있습니다.
그리고 산화환원 반응이란 반응물 간의 전자(e-) 이동으로 일어나는 반응이며, 전자를 잃은 쪽을 '산화', 전자를 얻은 쪽을 '환원'되었다고 말할수 있습니다.
배터리 양극제란 무엇인가?
최근 양극제 최대관련주인 에코프로와 에코프로비엠주가가 하늘무서운줄 모르고 날아가고 있습니다. 오늘도 주가가 강한 상승을 이어갔습니다.
배터리는 전압과 용량의 곱으로 에너지를 저장할 수 있는데, 양극재는 배터리의 용량과 전압을 결정하는 핵심 소재라고 볼수 있습니다. 특히 현재 전기차를 이끄는 배터리 주류가 리튬이온 배터리인만큼 양극재가 더욱 중요한 역할을 합니다.
전기차 및 에너지저장시스템 등의 수요 증가로 인해 연간 약 33%의 성장률로 양극재 시장이 확대되어, 2025년에는 275만톤 규모로 성장할 것으로 예상한다고 합니다. 따라서 양극재 시장은 전기차 및 에너지저장시스템 산업에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
그럼 앞으로 양극제 관련 주가는 앞으로 충분히 더 올라갈수 있는 여력이 생길거라고 봐도 될듯합니다만, 묻지마 양극제 관련주들도 있기 때문에 충분히 고려해서 주식을 사야할것으로 보입니다.
양극재에 사용되는 금속원소의 특성
배터리의 양극재는 리튬과 금속 성분으로 구성되며, 이들의 조합은 배터리의 성능과 특성을 결정됩니다. 전기차 배터리에 일반적으로 사용되는 금속 성분으로는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 등이 있습니다.
결국 이 금속 성분을 어떤 비율로 조합하느냐에 따라 양극재의 용량, 에너지밀도, 안정성, 수명, 가격, 경쟁력 등이 결정이 된다고 합니다. 즉, 전기차에서는 용량은 주행거리, 에너지밀도는 전기차의 출력, 안정성은 화재 등 사고를 제어하는 능력, 수명은 배터리 사용 기간에 영향을 미치는 중요한 요소라고 볼수 있습니다.
이러한 특성들은 리튬 이온 배터리의 양극에서 금속 산화물을 사용하는 이유 중 일부내용이며, 금속산화물은 리튬 이온 배터리의 성능과 안정성에 영향을 미치는 여러 가지 문제점이 있기도 합니다.
따라서, 새로운 양극 물질의 개발이 미래의 전지 연구의 주요 관심사 중 하나이기 때문에 연구개발이 진행중입니다.
양극제 소재에 따른 배터리 특성
현재 전세계적으로 가장 많이 사용되는 배터리 종류는 2종류인 삼원계 배터리를 주력으로 생산하고 있습니다. 그 중에서도NCM(니켈.코발트.망간) 양극재가 전기자동차 2차 전지로 가장 많이 사용되고 있습니다.
NCM(니켈.코발트.망간)
NCM(Nickel Cobalt Manganese) 배터리는 리튬이온(Lithium-ion) 배터리의 한 종류입니다. 리튬 이온 배터리의 성능을 높이기 위해 개발된 고성능 배터리입니다. NCM 배터리는 이전의 리튬 이온 배터리와 비교하여 에너지 밀도와 사용 수명이 개선되어 전기차에 탑재되고 있습니다.
전기차에 가장 많이 사용되는 NCM 배터리는 주로 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기식 자전거 등에 사용되는데, 배터리의 충전속도, 방전 속도, 에너지 밀도, 수명 등의 성능이 매우 중요합니다.
NCM 배터리는 일반적으로 Nickel Cobalt Manganese의 비율에 따라 NCM 111, NCM 523, NCM 622 등의 다양한 혼합비로 만들어지는데, 각각의 비율에 따라 배터리의 특성이 다릅니다.
예를 들어, NCM 622는 에너지 밀도가 높아서 자동차에 적합하며, NCM 811은 충전 속도가 빠르기 때문에 스마트폰 등에 가장 적합한 배터리입니다.
NCM 배터리는 고전압 운전이 가능하며, 이는 충전 시에 더 높은 에너지를 저장할 수 있도록 합니다. 또한, NCM 배터리는 낮은 내부 저항과 높은 에너지 효율성을 가지며, 이는 배터리의 충전 및 방전 속도를 높이고, 더 많은 에너지를 더 빨리 전달할 수 있게 합니다.
하지만, Nickel과 Cobalt의 사용량이 높아서 제조 과정에서 환경 오염과 노동 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에는 Nickel과 Cobalt 대신 Manganese이 높은 비율로 사용되는 NCM 배터리도 개발되고 있습니다
그 이유는 아주 간단합니다. NCM 양극제가 출력과 주행거리가 현재 가장 뛰어나기 때문입니다. 하지만 분명 최근 전기차 배터리 폭발로 인한 위험성이 대두되고 있습니다.
NCA(니켈.코발트.알루미늄)
배터리는 리튬이온(Lithium-ion) 배터리의 일종으로, 에너지 밀도와 전력 밀도 모두가 높아서 전기 자동차 등의 고성능 용도로 많이 사용됩니다.
NCA 배터리는 Nickel, Cobalt, Aluminum의 혼합비에 따라 NCA 111, NCA 532 등의 다양한 종류가 있는데, 전기 자동차 등에서 높은 충전 및 방전 효율을 제공하기 때문에, 전기 자동차의 주행 거리를 늘리고, 더 빠른 충전이 가능하다고 합니다.
즉, 에너지 밀도와 전력 밀도가 높아서, 더 많은 에너지를 더 빨리 저장하고 방출할 수 있어서, 전기 자동차 등에서 긴 주행 거리와 빠른 충전을 가능합니다. 또한, 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있어서, 전기 자동차 등에서 고속 주행 시에도 안전하게 사용될 수 있습니다.
하지만, NCA 배터리 또한 Cobalt의 사용량이 높아서 제조 과정에서 환경 오염과 노동 문제가 발생합니다. 그리고 배터리의 가장 중요한 것이 바로 안정성과 안전성인데, NCA 배터리는 고온에서 사용할 때 발생하는 열 분해로 인해 화재나 폭발 위험이 있다고 합니다.
LFP(리튬.인산.철)
LFP(Lithium Iron Phosphate) 배터리는 리튬이온(Lithium-ion) 배터리의 일종으로, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템등의 대용량 용도에 많이 사용되고 있습니다.
LFP 배터리는 Iron(철), Phosphate(인산염)을 주 원료로 사용하기 때문에, Cobalt, Nickel 등의 희토류 금속을 사용하는 리튬 이온 배터리와 비교하여 경제적입니다.
이 LFP 배터리는 전기 자동차 등에서의 안정적인 주행과 높은 방전 효율성을 제공하는데, 고온에서도 안정적인 성능을 유지하며, 높은 충전 및 방전 효율성으로 전기 자동차의 긴 주행 거리와 빠른 충전을 가능하게 합니다.
또한, LFP 배터리는 안전성이 높아서, 화재 및 폭발 위험이 적습니다. LFP 배터리는 내부 저항이 낮아서, 고전류 방전에서도 발열이 적어지므로, 안정적인 운전이 가능합니다.
하지만, LFP 배터리는 에너지 밀도가 낮아서, 리튬 이온 배터리와 비교하여 부피 및 무게가 크다는 단점이 있습니다. 또한, LFP 배터리는 낮은 충전 및 방전 속도를 가지고 있어서, 전력 밀도가 낮아지는 문제가 있습니다. 따라서, LFP 배터리는 대용량 에너지 저장용이나 저전력 용도에 적합합니다.
현재 CATL 외 중국계 배터리 제조사에서 주로 생산하는 제품인데, 주행거리가 짧고 출력이 낮은 단점을 보완하기 위해 에너지 밀도를 높여 주행거리를 늘리는데 초점을 맞추고 있다고 합니다.
중국산 BYD LFP배터리 토레스 EVX탑재 논란
중국산차들이 저렴한 이유는 바로 이런 부분도 영향을 주는 것으로 볼수가 있습니다. 이번에 KG모빌리티(구, 쌍용자동차)에서 출시한 토레스 EVX는 바로 BYD의 LFP 배터리를 탑재해서 3,000만원대에 출시로 배터리의 불안함과 착한가격에 시선이 집중되기도 했습니다.
리튬이온 배터리가 보완해야 할 부분
너무도 유명한 사건이었습니다. 쉐보레 볼트에 탑재된 LG엔솔의 리튬이온배터리 결함으로 인한 손해배상과 차량 폭발 화재...결국 쉐보레 볼트 EV는 단종을 맞이 했습니다. 물론 이것때문에 단종은 한것은 아니고 인기가 없어서?
하지만 지금은 이 문제가 다 마무리되었으며, 현재는 더 나아진 성능으로 LG에너지솔루션은 승승장구하고 있다고 합니다. 현재는 다양한 자동차회사들에 납품을 하고 있으니 그나마 다행인것 같습니다.
언급했듯이 리튬 이온(Li-ion) 배터리는 전기차의 핵심 부품입니다. 현재까지 그 어떤 다른 배터리 종류보다 높은 에너지 밀도와 충전 효율성을 가지고 있지만 몇가지 보완점도 있다고 합니다.
안정성의 문제인데요, 리튬 이온 배터리는 과충전, 과방전, 과열 등으로 인해 발화, 폭발할 위험을 가지고 있습니다. 이를 방지하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS)이 설치되어 있으며, 더 정확한 사용 및 정확한 관리가 필요해 보입니다.
조금 긴 충전 시간과 배터리수명에 관한 부분입니다. 전기차의 배터리를 충전하는 데 시간이 오래 걸리는 것이 문제점 중 하나인데, 빠른 충전을 위해 고출력 충전기를 사용하면 결국 배터리 수명이 줄어들 수 있다고 합니다.
그리고 마지막으로 리튬 이온 배터리는 다른 배터리 종류보다 비용이 높은데, 이는 리튬, 코발트, 망간 등의 원료 가격이 높아서입니다. 즉, 차량 가격이 내려갈수 없는 원인이 되는걸로 보입니다.
그리고 환경오염의 가장 큰 원인이 되는 코발트의 제조과정에서 발생되는 환경오염과 노동문제를 꼽을수가 있습니다.
리튬 이온 배터리를 대체 가능한 배터리의 장.단점
리튬 폴리머(Li-Polymer) 배터리
리튬 폴리머 배터리는 리튬 이온 배터리와 비슷한 원리로 동작하지만, 배터리 셀 내부에서 전해질을 격리하는 플라스틱 필름을 사용하여 더 낮은 발화 위험성을 가지고 있습니다. 현재까지는 제조비용이 높고 충전시간이 오래걸리며, 수명도 짧다고 합니다.
고체 전해질 배터리
고체 전해질 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 안전성이 높고, 에너지 밀도와 수명이 높은것이 특징입니다. 하지만 제조비용이 높고, 현재 연구중이기 때문에 상용화에 많은 시간이 걸릴것으로 보여집니다.
수소 연료전지
수소 연료전지는 수소와 산소를 사용하여 전기를 생성하는 기술인데, 깨끗한 에너지를 사용하여 대기오염을 줄일수 있지만, 충분하지 못한 인프라와 생산과 저장에 대한 문제등이 존재합니다.
나트륨 이온 배터리
나트륨 이온 배터리는 리튬 대신 나트륨을 사용하여 제조됩니다. 이는 리튬 이온 배터리와 비교하여 원료 가격이 낮고, 안정성이 높은 장점이 있습니다. 하지만 에너지 밀도가 낮고 용량이 적습니다. 이또한 아직 연구단계에 있어 상용화에 시간이 걸릴듯합니다.
앞으로 더 다양해지고 커질 전기차 및 무인 로봇등 더 다양해진 사용탓에 대용량의 2차 전지가 필수인데, 이를 위해 현재 많은 기업들이 고성능 및 고용량의 2차 전지를 개발하고 있으며, 전세계가 2차 전지 원료를 위한 다툼또한 심각합니다.
이러한 글로벌 트렌드로 인해, 성능이 뛰어난 2차 전지의 수요는 더욱 높아지고 있습니다. 따라서 기업들은 더욱 높은 효율성과 안정성을 갖는 2차 전지를 개발하기 위해 연구 개발에 많은 투자를 하고 있습니다.
하지만 최근 이런 전기차 배터리에 대한 친환경논란, 그리고 광물의 가격 급등등으로 인한 차량가격상승으로 인해 친환경 오일 연구개발도 활발하게 이루어지고 있다고 합니다.
결국 전세계는 친환경이라는 틀에 산업이 움직이는 것으로 보입니다. 앞으로 어떤 세상이 될지 정말 친환경제품이 많이 나와서 환경오염이 개선이 될지 아니면 더 나빠질지 시간을 두고 관찰해야 할것 같습니다.
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