2차전지 파헤치기 A to Z - Part.1 2차전지 정의와 4대 구성요소

2018년 말까지 핫하다 최근 시들어버린 2차전지에 대해 정리해보려 한다.

엑셀에 여러 자료들을 모아 정리했었는데 블로그에 옮기고자 한다.

2차전지를 다시 꺼내는 이유는 내년부터 일부 소재(양극재/음극재/분리막/전해액) 중 튀어나갈 것이 보이기 때문이다.

이는 뒤에 차차 설명하겠다.

 

작성 순서는 이렇다.

Part.1 본 글에서 2차전지의 정의와 구성에 대하여 설명하고
Part.2 다음글에서는 2차전지 밸류체인/서플라이 체인에 대하여 살펴보고자 한다.
Part.3 에서는 2차전지 시장의 전망에 대하여 다뤄볼 것이고
Part.4 에서는 공급측면에서 살펴볼 것이다(광산사, 소재, 배터리업체 + 장비)
Part.5 에서는 수요 측면에서 살펴볼 것이며(고객사(완성차) 수요, 각 나라별 현황, 전망, 목표 등)
마지막 Part.6 에서는 개별 기업들을 다뤄볼 것이다.

작정하고 글을 써놨다. 기대해도 좋다.
2차전지라 함은 이 글만 보면 A 부터 Z까지 알수 있도록 자세하고 논리적으로 다루고자 한다.
기대해도 좋다.

(이 글은 성지가 될것이다.. 되었으면 좋겠다.)

그럼 Part.1 시작하겠다.

Part.1 - 2차전지의 정의와 2차전지의 4대 구성요소

1. 정의

2차전지란 한 번 쓰고 버리는 것이 아니라, 충전을 통해 반 영구적으로 사용하는 전지를 말한다. 계속 충전하면서 여러 번 재사용이 가능한 전지이다.
여기서 충전이란 외부에서 전기에너지를 흘려서 고갈된 화학에너지를 충진하는 것을 의미한다.

2차전지는 다시 대형전지와 소형전지로 나뉘고, 대형전지는 또 납축전지와 니켈카드뮴전지(Ni-Cd)로 나뉜다.

용도별로는 SLI(Start-Light_Ignite), UPS(Uninterrupted Power Supply), load-leveling으로 나뉜다.

SLI는 자동차에 쓰이는 납축전지가 대표적이고, 항공업(특히, 비행기)에서는 Ni-Cd 전지가 사용된다. 납축전지보다 Ni-Cd전지가 더 고급스럽다고 알려져 있다.

UPS는 전기가 나갔을 때, 비상 전원용으로 장비에 전원을 공급할 목적으로 사용된다.

소형전지는 흔하게 알려져있는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 전동공구 등에 사용되며 상용화 되고 있는 전지는 Ni-Cd, Ni-MH(Nickel Metal Hiderate), 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.

Ni-Cd은 니카드전지라고도 불리는데 완전 방전 후 충전하지 않으면 작동하지 않는 메모리효과가 있다. 메모리효과를 자세하게 설명하면 2차전지 안에 있는 화학 에너지(전기)를 다 쓰지 않고(완전 방전) 충전하면 2차전지에 들어갈 수 있는 에너지, 즉 용량이 줄어드는 현상을 말한다. 

배터리 용량을 보존하기 위해서는 완전히 전력을 다 쓰고(방전시키고) 충전을 해야하는 것이다. 이를 보완한 제품이 Ni-MH다. 하지만 Ni-MH는 전력이 떨어지고 가격도 비싼 단점이 있다.

이를 보완한 것이 리튬이온전지다. 리튬이온 전지는 Ni-Cd과 Ni-MH와는 다르게 전압이 두 제품보다 3배 높고, 전해질로는 수용액이아닌 유기용매를 사용한다. 리튬이온전지는 리튬금속이 안들어가 있는 전지다.

최근 2차전지 이야기를 하면 보통 리튬 이온전지를 일컫는다.

우리가 보고자 하는건 리튬이온전지!

 

리튬이온2차전지는 양극(+)과 음극(-)이라는 활물질이 분리막(동박)에 의해 분리되어 이온전달을 가능하게 하는 전해질에 담겨있다.

전지가 작동할 때 양극은 전자를 내보낸다. 전자를 내어주고 양극은 산화되며 음극은 전자를 운반하는 리튬이온과 함께 환원되는 물질이다.

두 전극은 전기화학적으로 처음과는 다른 상태로 변화된다.

이때 전해질 내에서는 음극과 양극 방향으로 양이온과 음이온이 이동하며 전하가 흐르게 된다.

리튬이온전지는 양극에는 LiCoO2를 사용하고, 음극에는 Carbon 혹은 Graphite를 사용한다.

충전 시에는 LiCoO2 속에 있는 리튬이 빠져나와 음극물질의 결정 속으로 들어간다.

방전할 때는 다시 리튬이 음극으로 들어가 산화된 음극물질을 중성화 시킨다.

충/방전시에 리튬이 양극에서 음극으로 또는 반대인 음극에서 양극으로 이동한다.

리튬 2차전지를 구성하는 4가지 핵심 소재는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질이다. 양극재는 리튬-코발트에서 리튬산화망간 등으로 다변화 되고 있다.

음극재로는 흑연이 주로 사용되며, 전해질은 산화환원반응이 원활하게 일어나도록 이온을 자유롭게 이동시킬 수 있는 리튬염이 사용된다.

분리막은 양극과 음극사이에 물리적으로 발생하는 전기적 접촉을 방지하기 위해 포함된다.

 

2. VS 1차전지

1차전지는 우리가 흔히 알고 있는 건전지다. 에너자이저든 벡셀 등의 건전지가 많다. 다만 이런 건전지도 1차전지아 아닌 것들이 있다.

이러한 1차전지는 한번 사용 후 완전히 방전되면 버리는 전지다. 재활용이 불가능 한 것이다.
이렇다보니 방전된 배터리는 그대로 버리게된다. 

이럴때 문제가 발생하는데 우선 1차전지에는 어떤 재료가 사용되는지 알아야 한다.

1차전지는 크게 망간을 사용한 망간건전지와 알카라인 건전지로 나뉜다.

망간 건전지는 이산화망간을 양극재로 사용하며, 아연을 음극재로 사용한다. 전해액은 염화암모늄, 염화아연 등 중성염 수용액을 사용한다.

알카라인 건전지는 망간 건전지에 사용되는 양극재와 음극재는 동일하다. 다만 전해액을 수산화칼륨 수용액으로 사용한다.

이 전해액의 차이로 인해 전류랑에 차이가 발생하는데, 특히 간헐적으로 사용되는 리모콘, 인터폰 적은 전류로 사용이 가능한 카세트, 벽시계 등은 망간 건전지가 적절하고, TV, 헤드폰 등 소모 전류가 큰 제품에는 알카라인 건전지가 용이하다.

그래서 발생하는 문제가 뭐냐 하면, 환경오염이다.
전지안에 있는 물질들이 모두 화학물질이다. 이렇다 보니 환경오염에 대한 이슈가 크게 작용한다.

이러한 이슈를 잠재우기 위해 뜨고 있는 것이 2차전지다.

3. 2차전지의 4대 구성요소

2차전지를 구성하는 물질은 4가지로 전극(양극재/음극재), 전해질, 분리막으로 구성된다.

배터리 셀 생산 비용에서 차지하는 비중은 양극재 43%, 분리막 17%, 전해액(전해질) 13%, 분리막(동박) 7% 순으로 볼 수 있다.
진입장벽은 동박 = 프리미엄 리튬염(전해질) > 음극재 > 전해액 > 양극재 순이다.

여기서는 리튬이온배터리를 다루겠다.
리튬이온배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 '산화환원 반응'으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
* 산화환원 반응이란 반응물 간 전자(e-)의 이동으로 일어나는 반응을 뜻하며, 전자를 잃은 쪽(-)을 산화, 전자를 얻은 쪽(+)을 환원되었다고 한다.

리튬이온과 분리된 전자(e-)가 도선을 따라 음극과 양극 사이를 오가면서 전기를 발생시킨다.

양극재는 리튬이온을 보유하고 있으며 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하기 때문에 2차배터리에서 아주 중요한 역할을 한다.
음극재는 양극재에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.
분리막은 동박이라고도 하며 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 한다. 양극과 음극이 접촉되면 흔히들 쇼트가 난다고하며 폭발이 이러나게 된다.
전해액은 이온을 운반하는 전해질이 포함되어 있어 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체이다.

출처 : 삼성SDI 블로그

 

3-1. 양극재

양극재를 먼저 살펴보면 리튬과 산소로 이루어져 있는 리튬 산화물(Li+O2)의 형태로 존재한다.
산화가 이루어진 물질은 보통 안전하기 때문에 배터리의 양극재도 리튬산화물의 형태로 리튬을 지니게 된다.
리튬산화물처럼 양극재에서 전극 반응에 관여하는 물질을 활물질이라고 한다.

이 때문에 양극 활물질의 종류에 따라 전자(e-)의 수가 달라지며 배터리의 용량과 전압이 결정된다.
양극 활물질의 종류는 아래와 같이 크게 5가지 종류가 있다.

출처 : 삼성SDI 블로그

양극 활물질은 리튬과 다른 금속과의 조합으로 구성된다.
이때 금속의 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 갖게 된다.
니켈(Ni)계는 고용량, 망간(Mn)계와 코발트(Co)계는 안전성, 알루미늄(Al)계는 출력을 향상시키는 특징이 있다.

적용 제품군에서 가장 큰 시장이라 평가받는 전기차에 요구되는 성능을 충족시키기 위해 상기 금속들을 조합하여 적절한 능력을 확보하는 것이 현재 진행중인 사항이다.
현재는 대부분 NCA(Nickel, Cobalt, Aluminum), NCM(Nickel, Cobalt, Manganese), LMO(Litum, Manganese, Oxygen) 등의 양극재가 사용된다.
LFP(Litum, Fe, PO4, 리튬인산철)은 안정성 때문에 CATL과 BYD 등의 중국 전기차 업체들이 밀고있지만, 부피가 크고 출력이 낮은 단점이 있어 중국 외 대부분 업체들은 거의 사용하고 있지 않다.

국내 업체들은 NCA/NCM 등의 양극 활물질을 중심으로 제품개발을 하고 있다.

NCA는 NCM, LMO와 비교했을대 출력이 높고 에너지 밀도도 높아 작은 부피로 높은 효율을 낼 수 있다. 즉 같은 공간이라도 NCA를 사용한다면 더 많은 출력을 낼 수 있는 것이다.
전기차로 예를들면 같은 배터리룸에 NCA를 놓았을 때 주행거리가 가장 높아지게 된다. 하지만 NCA는 안정성이라는 치명적인 단점을 갖고있다. 현재는 이것을 보완하기 위한 노력을 하고 있는 것이다.

 

3-2. 음극재

음극재를 살펴보면 음극재는 양극재에서 받은 이온을 방출하며 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.

현재 음극재로 가장 많이 사용되는 물질은 흑연(Graphite)이다. 흑연은 탄소로 이루어져 있는데 다이아몬드와 분자 구조가 비슷하다. 다이아몬드가 단단한 것도 규칙적인 분자구조를 갖고 있기 때문이다.

이처럼 흑연도 규칙적인 분자구조를 갖고있어서 양극재에서 방출된 리튬이온이 흑연의 구조 사이로 들어가 저장된다. 이때 흑연의 분자구조에 이온이 들어가며 팽창이 일어나게 된다.

그래서 충방전이 계속되면서 흑연의 팽창과 수축이 반복되면 흑연 구조에 미세하게 변화가 생긴다. 이 변화로 인하여 수명이 감소하게 된다.
폭발 등과 같은 안전성에는 문제가 없지만 수명이 줄어들게 된다. 
쉽게 설명하면 전기가 발생되는 원리는 양극재에서 나온 이온이 음극재가 저장을 했다가 방출하는 과정에서 전류가 흐르며 전기가 발생되는 원리이다.
하지만 흑연의 구조가 바뀌어 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어든다면? 곧 배터리의 용량이 감소하는 것이다.

출처 : 삼성SDI 블로그

 

3-3. 분리막

분리막은 배터리 내부의 양극과 음극의 활물질이 서로 섞이지 않도록 분리해 주는 막을 말한다.

분리막은 완전히 막혀있지는 않고 작은 기공이 뚫려있어 리튬이온이 이동할 수 있도록 되어있다. 양극과 음극간의 접촉만 막고 이온은 이동 가능하게 한다.

양극과 음극이 분리되어야 하는 이유는 위에서 설명한 산화와 환원이라는 기능 때문이다.
산화와 환원의 과정을 거치며 전기가 발생한다고 설명했다. 조금더 쉽게 설명하면 이온 전자가 이동하면서 전기가 발생하는 것이다.

하지만 양극과 음극의 분리가 없이 섞여있으면 이온이 이동할 이유가 없어진다. 그래서 열만 발생하게된다. 이때문에 양극과 음극이 접촉이되면 폭발이 일어나는 것이다.

출처 : 삼성SDI 블로그

 

그럼 좋은 분리막의 조건이 자연스레 떠오르지 않는가?

좋은 분리막의 조건은 첫번째로 양극과 음극을 '잘' 차단해야한다. 두번째는 이온이 원활하게 통과해야한다. 세번째는 일정 수준의 강도도 유지해야한다.

또한 일정한 온도 이상이 되면 자동으로 이온의 이동을 차단하는 기능도 있어야 한다. 산화와 환원 과정에서 일정 수준의 열이 발생하게 되는데 발생하는 열도 적당해야지 과하면 폭발로 이어지게 된다.

 

3-4. 전해액

마지막으로 전해액을 살펴보자. 전해액은 양극과 음극사이 리튬이온이 원활하게 이동되도록 하는 역할을 한다. 
전해액은 '배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 물질'이라고 정의할 수 있다.

양극과 음극의 표면을 안정화 시키고, 배터리의 수명이나 셀 특성을 향상시키는 기능을 하고 있다.

전해액을 조금더 자세히 살펴보면 리튬 이온의 이동통로인 염(salt)과 염을 용해시키기 위한 물질인 용매(Solvent), 수명, 출력 등 셀 특성을 개선하기 위해 첨가하는 물질인 첨가제(additive)로 구성되어있다.

이 중 염부터 살펴보면, 염은 리튬이온이 이동하는 통로다. 리튬이온배터리에 공통적으로 사용되는 염은 LiPF6(리튬/인산/불소)이다. 좋은 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 되어야 하며, 해리된 이온들은 이동이 용이해야 한다.

LiFP6는 이온이동도, 용해도, 안정성 등이 다른 염에 비해 우수하다고 한다.

다음으로 용매는 염을 잘 용해시켜 리튬이 이동하는데 도움을 준다. 용매제로는 보통 EC(Ethylene Carbonate)라는 용매를 사용하고 있다. 좋은 용매는 유전상수가 높아야 하며 리튬의 원활한 이동을 위해 점도가 낮아야 한다.

 

자 우리는 이제 위에서 2차전지의 구성요소들과 2차전지가 무엇인지 알아보았다.

이정도면 충분하다고 생각한다. 

Part.2에서는 2차전지 밸류체인/서플라이체인과 함께 어떤 기업들이 있는지, 각 체인별 특징 등을 알아보도록 하겠다.

2020년은 2차전지 같다.