9.전기차용 이차전지

 

 

 

 

 

 

 

 

 

●전기차용 이차전지

 

 

 

 

 

배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 자동차를 구동시키는 전기차는 가솔린 자동차 보다 먼저 1873년에 개발되었다는 사실을 아는 사람은 그리 많지 않다. 냄새와 진동이 적고 소음이 없는데다가 , 구조가 간단하고 기어를 바꿀 필요가 없기 때문에 운전하기도 아주 쉬운점들이 강점으로 부각되는 자동차이다. 여성용으로 인기가 많아 1912년까지 생산되기도 했으나, 텍사스 원유 개발에 따른 휘발유 가격하락과 내연기관 대량생산에 따른 가격경쟁에서 뒤져 1930년대에 사라졌다가 1990년대의 고유가와 배개가스 등 환경문제가 대두되면서 개발에 속도가 붙고, 최근 디젤차의 친환경문제가 부각되면서 전기차 활성화에 글로벌시장이 뜨겁게 달아오르고 있다.2030년대에 가솔린자동차의 종말이 예견되면서 그 개발에 가속도가 붙을 것으로 예견되고 있다. 전기차와 관련하여 중국을 눈여겨봐야 할 것 같다.세계자동차산업과 관련하여 뒤쳐져 있기도 하겠지만, 중국의 환경문제와도 관련하여서도 단 번에 만회하겠다는 기세로  BYD를 비롯한 전기차업계의 도약이 진행되는 모습에, 우리나라도 민관이 모든 힘을 합하여 경쟁력있는 전기차기술개발, 충전인프라 확충, 배터리기술확보 , 선도적시스템 수출의 확보가 필요한 시점에 맞추어 그 개발과 경쟁에서 선두적 역할을 활발하게 전개하고 있다. 전기차에 있어서 획기적인 발전을 위해서는 반드시 필요한 것이 배터리 이차전지 기술이다.이차전지는 전기차 원가의 40%이상을 차지하고 있는만큼, 그 부가가치가 크다고하겠다.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.리튬이온 배터리

 

 

 

 

 

 

◈리튬이온배터리의 구조

 

 

 

 

 

 

 

 

 

리튬이온배터리는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하기도 하고, 방전되었을 때 외부의 전원을 공급받아 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어 전기를 저장할 수 있는 전지로서 일반적으로 축전지라고 부른다.1차전지는 완전 방전된 후에는 다시 사용할 수 없어서 버린다.그러나  2차전지는 충전을 해서 다시 사용할 수 있다. 충전이란 전기에너지를 전지에 주입하여 방전할 때 일어나는 화학반응을 역으로 진행시키는 작업이다. 따라서 충전이 완료된 전지내부에는 자발적인 화학반응을 일으킬 준비가 완료된 화학물질이 들어있다.리튬이온 전지, 납축전지, 니켈카드뮴, 니켈 수소 전지와 같은 것들이 2차전지이다. 2차전지는 방전과 충전을 반복해서 여러 번 사용할 수 있으며, 전기 자동차에는 물론, 로봇을 비롯하여 전동용 공구, 전력저장용 장치에 다양하게 사용될 수 있다.전지는 자발적인 화학반응으로 생성되는 에너지를 전기에너지로 이용할 수 있도록 고안된 장치이다. 자발적인 화학반응이 진행될 때 전지는 방전 또는 discharge 된다고 표현한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

◈리튬이온베터리의 4대 구성요소

 

 

양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성된다.

 

 

 

 

①.양극재

 

 

 

 

리튬이온배터리에서 리튬이 들어가는 공간이 바로 양극재이다. 바로 리튬이온이 들어가서 활동하면서 사는 집이다. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해서 양극 소재로 적합하다. 단, 원소 상태의 리튬은 불안정하기 때문에 리튬과 산소를 결합한 리튬 산화물 형태로 양극에 사용되게 된다.양극재는 배터리의 성능에서 중요한 용량과 전압과 관련된 소재이다. 양극재에서 리튬 비중이 높을수록 배터리 용량이 커지며, 배터리 전압은 양극의 전위차에 의해 결정되므로 양극의 구조에 따른 전위값이 전압에 큰 영향을 주게 된다.배터리의 용량과 출력 등을 결정하는 핵심소재로,에너지 밀도를 끌어올리기 위해서는 양극활물질의 에너지밀도를 최대로 높여야 하는데 배터리로서 적합한 성능을 내는 양극활물질로는 Ni 니켈, Mn 망간, Co 코발트 , Al 알루미늄 등을 꼽을 수 있으며 니켈은 고용량 특성, 망간과 코발트는 안전성, 알루미늄은 출력특성을 향상시키는 역할을 한다.양극재는 이들 물질을 적당한 비율로 섞어 만든다.크게 NCM 즉, nickel cobalt manganese 와   NCA 즉 nickel cobalt aluminum  두 종류의 양극재가 시장을 주도하고 있다 최근에는 고성능 양극재의 수요가 늘면서 NCMA 즉, 니켈·코발트·망간·알루미늄 등 다양한 양극재가 개발되고 있다.우리나라는 NCA, NCM 등 삼원계를 위주로 생산하고, 리튬인산철 LFP 배터리는 중국이 생산하고 있다.최근에 국내 2차전지 장비업체 피엔티가 사업다각화를 위해 LFP소재를 신사업 부분에 추가하였다.LFP 즉, 리튬,철,인산 양극 소재 기술 국산화를 위해 구미에 1천억을 투자해 2025년까지 LFP 양극화 물질을 양산한다는 계획이다. 2023년에 테슬라가 LFP배터리를 탑재한 저가 모델을 출시하고 이후 현대차, 기아도 LFP배터리 탑재 모델를 발표하여 관심이 집중되고 있다.국내 배터리 3사도 LFP배터리 사업을 준비하며 LG에너지 솔루션과 삼성SDI도  2026년 양산을 목표로 세웠으며 SK온은 개발을 마친후 공급에속도를 내고 있다.

 

 

 

	NCM(리켈, 코발트, 망간 합성)	NCA(니켈, 코발트, 알루미늄 합성)
전지용량	160Ah/g	210Ah/g
가격	보통	보통
수명	중간	높음

 

 

 

코발트가격이 비싸기 때문에 원가절감을 하기 위해서 니켈비중을 늘이는 NCM811 즉, 니켈 80%, 코발트 10%, 알루미늄 10% 가  주목받고 있다.대부분 완성차업체 약90%가 NCM을 채택하고있고 , 10% 정도가 NCA를 채택하고 있는데 NCA를 채택하고 있는 대표적 완성차업체는 테슬라,BMW,재규어&랜드로바가 있다.

 

 

◈NCM은  LG에너지솔루션,엘앤에프,포스코퓨처엠,코스모신소재가 생산하고 있다.

◈NCA는 에코프로비엠이 삼성SDI와 합작회사를 만들어 양극재를 생산하고 있다.

◈코발트는 코스모화학이 생산하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

②.음극재

 

 

 

 

음극재는 양극에서 나온 리튬 이온을 저장 및 방출하며 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 하게 된다. 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하는데, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 리튬 이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하며 전기를 발생시키게 된다. 양극재 집에서 나온 리튬 이온이 일을 하며 만든 전기라고 생각할 수 있다.음극재는 많은 이온을 안정적으로 저장할 수 있는 흑연이 주로 사용한다. 하지만 리튬 이온을 저장하고 방출되는 과정이 반복될수록 흑연의 구조가 변화하며 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들게 되는데, 이로 인해 배터리 수명이 줄어들게  된다. 음극재 역시 용량이 크고 충전 속도를 빠르게 할 수 있는 실리콘 음극재 등 차세대 음극재 개발이 활발하게 진행되고 있다.2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재로 흑연 등의 탄소 물질을 가장 많이 사용한다. 음극활물질이라고도 부른다.현재 음극재 소재는 천연흑연→인조흑연→실리콘으로 바뀌는 추세이고 실리콘 소재는 전기차 주행거리를 늘리는 장점으로 부각되고있다.

 

 

 

◈음극재는 대주전자재료,한솔케미칼,포스코퓨처엠,동진쎄미켐,SKC 등이 생산하고 있다.

 

 

 

 

실리콘음극재는 흑연에 비해 10배 높은 용량을 가지고 있어,배터리의 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다는 장점이 있다.따라서CNT도전재가 주목을 받는 이유이다.기존의 카본블랙 도전재를 대체하여 CNT도전제를 사용하게 되면 전자 이동량이 중가하여 사용량을 5분의 1까지 줄일 수 있다. 따라서 양극활물질을 더 투입하여 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.실리콘 음극재를 사용할 때 부피 팽창을 잡아주는  보완재안 CNT 도전재의 필요성은 계속하여 부각될 전망이다.

 

 

◈CNT도전재는 나노신소재,동진쎄미켐이 생산하고 있다.

 

 

◈ 동박은 전지박이라고도 하며 전류를 흐르게하는 역할을 한다./롯데에너지머티리얼즈, 솔루스첨단소재,고려아연,피엔티(장비)등이 생산한다.

 

 

 

 

 

 

③.전해질

 

 

 

 

전해질은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체이다. 리튬 이온이 양극과 음극 사이에  이동하는  수단이 된다. 전해질은 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온 전도도가 높은 물질이어야 하며, 안전을 위해 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 한다. 또한 전자의 경우 출입을 막아 외부 도선으로만 이동하도록 만들어야 한다. 현재로서는 이러한 역할을 할 수 있는 최선의 선택으로 액체 전해질이 널리 사용되고 있다향 후 차세대에 안전성과 성능이 더 뛰어난 고체나 젤 형태 전해질에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

 

 

 

◈전해질은 천보,후성, 동화기업,솔브레인 등이 생산하고 있다.  

 

 

◈2차전지 및 EDLC용 전해액과 고기능성 첨가제를 개발, 생산하는 전해액 전문기업으로는 엔켐이 있다.

 

 

 

 

차세대이차전지로 전기차 폭발위험을 방지할 수 있는 전고체형 리튬이온 배터리에 개발에 관련기업들이 나서면서 전고체배터리에 들어가는 고체전해질 시장도 2030년까지 성장할 것이라는 전망이 나오고 있다.고체전해질이란 이온이 전기를 안내하는 성질을 가지는 물질을 말한다.산화지르코늄, 나트륨 β 알루미나 등이 있다.

 

 

 

◈고체전해질은 POSCO홀딩스, 에코프로비엠, 이수화학, 아바코 등이 생산하고 있다.

 

 

 

◈전고체배터리 관련주는 이수스페셜티케미칼, 레이크머티리얼즈,씨아이에스, 한농화성 등이 있다.

 

 

 

 

 

 

④.분리막

 

 

 

분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하는 역할을 한다. 말 그대로 양극과 음극 사이를 분리해 접촉을 막는 소재다.분리막에는 미세한 구멍이 있어 리튬 이온이 이동할 수 있도록 되어 있는데요. 즉, 양극과 음극 간의 접촉은 막고 이온은 이동이 가능해야 한다.분리막은 안전을 위해 높은 전기절연성과 열 안정성이 요구되며, 일정 이상의 온도에서는 자동으로 이온의 이동을 막는 기능도 갖춰야 한다. 현재 분리막에는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 널리 쓰이고 있다. 배터리 소형화를 위해 분리막을 얇게 만들기 위한 연구 또한 이뤄지고 있다.

 

 

 

◈분리막은  SK아이이테크놀로지,LG화학, 상아프론테크 등이 생산하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.공정

 

 

 

 

 

1).전극공정

 

◈양극과 음극 극판제조하는 기업으로는   피엔티,씨아이에스 등이 있다.

 

 

2).조립공정

 

◈전극과 원재료를 가공조립하는 기업으로는  엔에스.디에이테크놀리지,브이원텍,엠플러스 등이 있다.

 

 

 

3).활성화공정

 

◈완성된 전지를 충방전하여 전기적특성을 부여하는 기업에는  피앤이솔루션이 있다.

 

 

 

4).디게싱공정

 

◈전기내에 축전된 가스 배출관련주는 엔에스,디에이테크놀리지 등이 있다.

 

 

 

 

 

 

3.장비

 

 

 

 

◈장비자동화 조립설비관련주에는  필옵틱스가 있다.

 

◈2차전지 뚜껑 역할을 하는 가스캣 관련주는 엠플러스가 있다.

 

◈장비기업/    피앤이솔루션, 필옵틱스, 피엔티 등이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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