2차전지를 공부해보자(1) - 양극재를 중심으로
- 투자관련칼럼
- 2019. 1. 26.
안녕하세요 오늘은 2차전지 산업과 관련하여 공부를 해보려고 합니다. 수년전부터 얘기가 나오던 전기차 시장의 개화가 이제 정말 코앞으로 다가오고 있습니다. 세계 각국에서 내연기관 규제를 강화하면서 기존 자동차 업체들도 전기차로 선회하는 경우가 늘어나고 있기 때문인데요.
전기차 시장의 핵심은 배터리입니다. 따라서 오늘은 배터리를 중심으로 공부해보려고 하는데요. 과거 전기차/수소차와 관련하여 쓴 다른 글들도 있으니 한 번 읽어보시는 것도 좋을 것 같습니다.
2018/08/31 - [투자관련칼럼] - 전기차/2차전지 관련 공부
2018/09/25 - [국내주식투자] - 친환경차 경쟁 승자는 누구일까?(1) : 수소차 vs 전기차
2018/09/28 - [국내주식투자] - 친환경차 경쟁 승자는 누구일까?(2) : 수소차 vs 전기차
2018/09/30 - [국내주식투자] - 친환경차 경쟁 승자는 누구일까?(마지막) : 수소차 vs 전기차
아래 내용들은 IBK투자증권에서 나온 "연금술사"라는 제하의 리포트 중 배터리 기술에 대한 설명 부분만을 요약 정리한 것입니다. 다른 내용들은 제가 예전에 정리해둔 글을 한 번 읽어보시면 될 것 같구요.
Summary
최근 전고체전지에 대한 뉴스가 심심찮게 보도되면서 배터리 산업에 대한 연금술이 등 장하고 있다. 전고체전지는 폭발하지 않고, 다층형 셀구현이 가능하며, 플렉서블 형태 도 가능하다. 만약 현재 리튬이온전지와 비슷한 성능 수준의 전고체전지를 대량 생산 할 수 있다면 부와 명성을 얻기에는 아주 쉬워 보인다.
하지만 전고체전지는 이온전도도가 낮아 충방전 속도가 느리고, 저항이 높아 수명도 약하다. 또한 양산기술이나 제조 공정과 관련된 특허 건수는 전체 전고체 특허 중 9% 밖에 되지 않기 때문에 대량 생산까지에는 아직 갈 길이 멀어 보인다. 이처럼 차세대 배터리에 대한 관심이 많은 이유는 무엇일까?
그 중심에는 2016년 새
로운 패러다임을 제시했던 4차 산업혁명과 관련돼 있다고 생각된다. 4차 산업혁명의
핵심기술로는 인공지능, IoT, 빅데이터가 주로 언급되어 있다. 이러한 핵심 기술들로
기존의 틀을 바꿀 수 있는 것은 전기차, 자율주행이 가능한 모빌리티이며, 그 모빌리티
의 중심에는 안전성과 무한한 에너지가 없어서는 성공할 수 없다.
리튬전지, 두 갈래의 길
리튬 금속의 특징
리튬은 원자번호 3번 원소로 금속 중에서 가장 가볍고 고체 원소중에서 밀도가 가장 낮다. 또한 전기화학적으로도 가장 높은 전압을 낼 수 있으며, 배터리 소재로 사용시 메모리 효과가 없는 장점이 있다. 하지만 온도에 민감하고 반응성이 너무 커 폭발위험 성이 굉장히 높다.
리튬메탈 전지의 한계점
리튬을 2차전지의 음극으로 사용하려면 해결해야 할 2가지 문제가 있다. 첫 번째 문제 는 리튬 금속이 전해액과 반응해 산화와 환원 반응이 원활하게 되지 못했다. Moli Energy는 LiAsF6 리튬염을 활용한 전해액을 개발해 이온전도도를 높이고 발화 가능 성을 낮췄다.
리튬 금속의 두 번째 문제는 충방전이 반복되면 리튬금속 표면이 거칠어지고 돌출구조 (Dentrite)가 만들어져 폭발 위험성이 올라간다. 다만 돌출구조는 고출력 충방전 시에 일어날 가능성이 높기 때문에 전류를 일정 이상 흘리지 않으면 문제점을 막을 수 있다. Moli Energy는 고출력 방전을 제한시키면서 문제점을 해결한다.
소니의 리튬코발트산화물 사용 시작
소니가 사용한 양극활물질은 지금도 사용되고 있는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)이다. 소니는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 양극재로 사용해 리튬 공급원 역할을 하고, 음 극은 기존대로 흑연을 사용했으며, 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오가면서 충방전이 가능해졌다. 또한 소니는 안정성 향상을 위해 과전류시 전류를 차단하는 PCM(보호회로)를 개발했 고 고급형 벤트인 CID(Current interrupt device)개발해 안정성을 확보했다.
1991년 소니는 리튬 이온과 보호부품을 사용해 배터리를 생산한다. 당시 생산했던 리튬이온배 터리는 니켈망간(Ni-MH) 전지 대비 약 3배 높은 3V급이었으며 전지의 소형화, 경량 화가 가능해지기 시작했다.
점차 다가오는 리튬배터리의 한계
리튬이온 에너지 밀도를 증가시키는 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째는 배터리 밀도에 기여하지 않는 소재의 양을 줄이면서 밀도와 관련된 고용량 활물질을 더 많이 넣는 방 법이다. 용량에 기여하지 않는 물질을 불활성 물질이라고 하며 동박, 알루미늄박, 분리 막 등이 해당된다. 두 번째는 소재를 바꾸는 방법이다.
양극은 성능과 관련된 전극으로 배터리 업체들은 에너지 밀도 향상을 위해 주로 양극재에 변화를 준다. 음극은 전지의 시스템을 결정하 는 전극으로 음극에 새로운 물질이 교체되면 새로운 전지가 개발되었다고 할 수 있다.
1990년대 산요는 에너지 밀도를 높이기 위해서 음극을 하드카본에서 흑연으로 교체했 다. 하지만 전해액이 흑연의 결정구조에 안착하는 언터컬레이션 현상이 발생하면서 수 명이 급감해진다. 산요는 문제점을 해결하기 위해 전해액에 분자 크기가 작은 EC(Ethylene Carbonate)를 사용했다.
또한 산요는 배터리 소재 가격을 떨어뜨리기 위해 음극에 인조흑연 대신 천연흑연을 도입해 가격을 획기적으로 낮춘다. 천연흑연은 비표전면적이 3.8m2/g으로 인조흑연의 1m2/g 보다 훨씬 크다. 따라서 당시 사용했던 PVDF바인더보다 접착력이 더 좋은 SBR 바인더를 도입했다. 다만 SBR 바인더는 PVDF 바인더보다 5배나 많은 가스를 발생시킨다.
가스발생 문제 를 해결하기 위해 산요는 가스를 미리 제거하는 공정인 Pre-Charging 공정을 도입하 였으며 고온상태의 에이징 공정도 도입하였다. 이처럼 음극재를 교체하면 전해액, 제 조공정 등 전지 시스템을 바꿔야 하는 부담이 있기 때문에 최근 배터리 개발업체들은 주로 양극재를 개발하고 있다.
전지 세대의 진화
경제성을 위한 양극재와 음극재의 변화들
- 5년마다 배터리 세대가 변경
- 3세대 배터리는 2021년 이후에나 적용 가능
3세대 리튬이온배터리는 2021년 이후부터 가능할 것으로 예상된다. 특히, 소재가격 상 승은 전기차의 가격 상승으로 이어지기 때문에 시장 성장에 악영향을 미친다. 따라서 에너지당 가격이 낮은 소재를 점차 사용하는 방향이다.
3세대 배터리의 양극재는 값비싼 코발트 비중을 줄이고 니켈 비중을 최대 88%까지 높
일 예정이다. 음극재는 흑연에 실리콘계 물질을 첨가해 에너지 밀도를 올리는 계획이
다. 만약 NCM 811계에 실리콘이 첨가된 흑연을 사용할 경우 3세대 배터리 주행거리
는 최대 500Km까지 가능할 전망이다.
-전지개발 보다는 점차 소재의 가격이 중요해지는 추세
2025년 배터리는 전지설계와 소재품질 변화로 인한 에너지 밀도 증가폭이 제한될 것 으로 예상된다. 양극재 NCM의 경우 니켈90%, 코발트5%, 망간5% 비중이 예상된다. 코발트 비중을 5%이하로 낮추지 못하는 이유는 안정성 문제가 발생하기 때문이다.
음 극재의 경우 실리콘 비중을 높일 수 있는 여지가 많지만 기술적 진보가 뚜렷하지 않기 때문에 아직 많은 연구가 필요해 보인다. 분리막은 용량에 기여하지 않는 불활성물질로 큰 변화가 없을 것으로 예상된다. 전해 질은 새로운 물질에 대한 연구가 활발히 진행 중이나 아직 안정성이 부족해 2세대부터 3.5세대까지는 비슷한 제품이 사용될 것으로 예상된다.
양극재 개발 트랜드
코발트 가격 상승에 따른 소재 구성비율 변화
양극재는 구성하는 재료에 따라 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP 으로 6가지 종류가 있 다. 국내 배터리 셀 업체들은 주로 LCO, NCM, NCA를 채택하고 있고 이에 사용되는 대표적인 소재로는 코발트, 니켈, 망간이 있다. 하지만 최근 코발트 가격이 점차 상승 하면서 양극재의 구성 비율을 바꾸고 있는 추세이다. 가장 오랫동안 사용된 양극재는 LCO이며 리튬이온 전지가 시작될 때부터 사용된 만큼 합성 난이도가 낮고 안정적이다. 그러나 LCO는 코발트가 다른 양극재보다 비율이 높 기 때문에 가격에 대한 부담이 있다. 가격은 Kg당 27달러로 코발트 비중이 낮은 NCM, NCA대비 약 30% 비싸다.
LCO와 NCM의 가격 괴리는 최대 5배
2017년부터 코발트 가격이 상승하면서 LCO 사용에 대한 가격 부담이 증가하고 있다. 코발트 가격이 Kg당 15달러일때는 NCM과 LCO의 양극재 비용 차이는 약 2배가 난다. 하지만 코발트 가격이 3배 이상 상승할 경우 NCM과 LCO의 비용 괴리가 약 5배 이상 나면서 배터리셀 원가는 급격하게 높아진다.
대부분 국내 양극재 업체들은 LCO보다는 NCM의 생산시설을 늘리는 중이고 배터리 셀 업체들도 NCM이 적용된 배터리셀 비중을 높이고 있다.
코발트 가격 변동성은 당분간 클 것
코발트 가격이 높은 이유는 매장지역이 집중되어 있고 광업권 및 아동 노동 논란 등 정치적인 이슈도 많기 때문이다. 최근 새로운 코발트 광산에서 채굴이 시작되고 있지 만 아직까지 코발트 공급이 원활하지 않고 중국 수요도 불안정하기 때문에 당분간 코 발트 가격의 변동성은 높을 것으로 예상된다.
코발트 비중을 5% 낮추기에는 어려움
코발트 비중이 5% 미만으로 되면 배터리 출력이 낮고 충방전 싸이클이 낮아지면서 배터리의 활용가치가 낮아진다. 심지어 배터리 개발 업체들은 코발트를 사용하지 않는 양극재를 개발하고 있다. 그러 나 코발트 이온은 다른 물질에 비해 전자 배치가 독특하기 때문에 이온 크기가 작고 안정된 층상 구조를 유지할 수 있다. 당분간 프리 코발트 배터리가 상용될 가능성은 낮아 보인다.
하이니켈화가 현재로서는 가장 실질적인 해결 방법
결국 코발트를 사용 하면서 배터리 가격을 낮출 수 있는 방법은 니켈의 함유량을 늘리 는 것이다. 니켈의 비중을 높이면 에너지 밀도가 높아져 전기차의 주행거리가 높아진 다. 하지만 NCM 양극재에 니켈 함량이 높아지면 안정성에 대한 문제가 발생한다.
하이니켈화에 따른 문제 발생
양극재에 니켈 함유량이 많아지면 충방전시 입자의 균열이 많아진다. 입자의 균열은 양극재의 구조가 깨지면서 나타나는 현상으로 에너지 밀도가 급격하게 떨어지며 심할 경우 가스가 발생해서 폭발 가능성이 굉장히 높아진다. 배터리 업체들은 입자 균열이 깨지는 것을 방지하기 위해 도판트 물질을 개발중이다. NCM은 2차원 입자로 만들어져 있다. 하지만 도판트 물질을 투입하면 NCM의 구조가 3차원 레이어 구조로 만들어 지면서 양극재의 부피 팽창 반응을 억제시켜 준다. 하이니켈 문제점을 방지할 수 있는 다른 방식으로는 코팅이 있다. 하이니켈 양극재의 충방전 횟수가 증가하게 되면 전해액과 반응하게 되면서 배터리 부피가 팽창된다. 하 지만 양극재 표면에 코팅을 하면 전해질과의 반응을 억제시킬 수 있어 에너지 밀도를 하락을 막아줄 수 있다.
위 내용을 읽고 이해한 것을 개인적으로 정리해보겠습니다.
1. 리튬계 배터리는 점차 한계에 봉착하고 있다. 특히 현재도 사용되고 있는 LCO는 코발트 비중을 낮추기 힘들기 때문에 앞으로 도태될 것으로 예상됨.
2. 현재도 그렇지만, 당분간은 NCM/NCA가 시장을 잡을 것으로 생각됨. 차세대 전지가 나오려면 2020~2022년 이후는 되야 할 것으로 보이므로.(이 부분은 해당 리포트 뒷 부분에 '차세대 전지' 부분에 있는 내용이라 나중에 요약 정리해서 다시 올리겠습니다.)
3. 앞으로 시장 트렌드는 많은 비용을 차지하는 코발트의 비율을 낮추고 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 비율을 높이는 것임. 즉 NCM에서 누가 먼저 코발트 비중을 낮추느냐, 즉 누가 먼저 하이니켈 전지를 상용화하는지가 될 것으로 보인다.
오늘은 해당 리포트 중에서 양극재 관련 부분만을 정리해보았습니다. 다음 번에는 음극재와 관련된 부분을 요약, 정리해보도록 하겠습니다.
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