이차전지 산업 현황 : 이차전지(전기차용 배터리)에 대한 이해

 

오늘은 이차전지 관련해서  (1) 이차전지  (2) 리튬이온배터리 (3) 양극재 및 전구체 (4) 삼원계배터리에 대해서 알아 보도록 하겠습니다. 

 

이차전지 

이차전지

 

전기차에 사용되는 배터리를 이차전지(Secondary Cell)라고 합니다. 이차전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 방전할 수 있으며, 방전된 상태에서 전기에너지를 충전하면 이를 화학 에너지의 형태로 다시 저장할 수 있는 전지를 말합니다. 우리가 흔히 사용하는 건전지는 일차전지(Primary Cell)는 방전 후 재사용이 불가능한 반면, 이차 전지는 충전과 방전이 여러 번 가능한 전지입니다.  

리튬이온배터리

 

이차전지의 핵심으로 불리는 리튬이온배터리의 구성은 아래와 같습니다. 양극재와 음극재가 양 끝에 있고, 그 사이에 전해액이 있습니다. 양극재와 음극재가 붙는 것을 막기 위한 분리막이 가운데 있습니다. 음극에서 양극으로 리튬이온이 이동하면서 전기에너지 발생하는 것을 방전이라 하고, 방전된 배터리에서 리튬이온은 양극에 모이게 되는데, 양극에 있는 리튬이 음극으로 이동하는 것을 충전이라고 합니다. 

 

 

 

양극재 및 전구체

 

양극재는 리튬이온배터리의 성능을 좌우할 뿐 아니라, 리튬이온배터리 제조원가의 35% 이상을 차지하는 핵심소재이며, 전구체에 리튬과 첨가제를 혼합해서 만듭니다. 양극재는 리튬이온배터리에서 방전된 리튬 (에너지를 저장하는 수단)이 들어가는 공간입니다. 

 

전구체는 양극재가 되기 이전, 양극재의 원료가 되는 물질을 뜻하는데요. 배터리는 양극재에 어떤 활물질을 사용하느냐에 따라 성능과 용도가 결정됩니다. 기본적으로 리튬 산화물이 필요하고, 여기에 다른 금속 물질을 더해 여러 가지 조합의 양극재를 만들 수 있습니다.. 주로 니켈, 코발트, 망가니즈 등이 사용되는데요. 이러한 원료들을 섞은 화합물이 바로 ‘전구체’이고, 여기에 리튬을 더하면 비로소 양극재가 됩니다. 

 

전구체는 양극재 원가의 약 70%를 차지할 정도로 배터리 제조에 큰 비중을 차지합니다. 그렇기 때문에 전기차 시장이 계속해서 커지는 상황에서 국내 배터리 업계는 전구체 수입 의존도를 줄이고 공급을 안정화하기 위해 전구체를 내재화하려는 노력들을 하고 있습니다.

 

 

삼원계 배터리

 

리튬이온배터리의 양극재로 주로 쓰이는 리튬금속산화물로는 리튬코발트산화물(LCO)이 있습니다. 이 화합물은 리튬과 코발트, 산소로 구성되어 있습니다. 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 함께 다른 금속 원소가 더해져, 총 세 개의 원소가 양극재를 이루면 이를 ‘삼원계 배터리’라고 합니다. 대표적인 삼원계 배터리로는 NCM과 NCA가 있습니다.  

 

 

NCM(LNCMO)은 리튬코발트산화물(LCO)에 니켈(Ni)과 망가니즈(Mn)가 결합된 양극재입니다. 니켈, 코발트, 망가니즈가 1:1:1 비율로 균일하게 구성되어 있고, 주로 전기차 배터리의 양극재로 많이 사용됩니다. 배터리 양극재의 핵심 소재로 주목받고 있는 ‘니켈(Ni)’그 비중이 커질수록 배터리의 에너지 밀도가 높아지는 특징이 있습니다. 이에 따라 전기차 1회 충전 시 주행거리도 함께 증가합니다.

 

 

 

NCA 양극재는 리튬코발트산화물(LCO)을 기반으로 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 원소의 조합으로 구성되어 있습니다. NCA 양극재의 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al)은 8:1:1비율로 구성되어 있습니다. NCM 양극재보다 니켈의 함량이 단연 높고 알루미늄의 특성도 더해져, 더욱 높은 에너지 밀도와 출력을 보이는 것이 특징입니다.

 

지금까지 이차전지 관련해서 (1) 이차전지  (2) 리튬이온배터리 (3) 양극재 및 전구체 (4) 삼원계배터리에 대해서 알아봤습니다.   

 

참고자료 : 박순혁 저자의 2차 전지 투자바이블, 배터리 인사이드( https://inside.lgensol.com/ )