2차전지

2차 전지는 1차 전지와 다르게 방전 후에도 충전을 통해 재사용할 수 있는 전지이다. 납축전지와 리튬이온전지가 대표적이다. 높은 에너지밀도와 출력, 환경친화성, 긴 수명주기 등이 장점이나, 고밀도로 인해 충격에 위험하고 온도에 민감하다는 단점이 있다.

개요

2차 전지는 전기를 저장했다가 모두 사용한 이후에도 다시 반복적으로 충전하고 사용할 수 있는 전지를 의미한다. 환경 친화적이고 경제성이 있어 미래 사회에서 가전, 교통, 전력망 등에서 활용되는 유망한 신사업이다. 2차 전지는 양극과 음극의 전압 차이를 통해 전기를 저장하고 발생시킨다. 핵심 소재로는 양극활성제, 음극활성제, 전해액, 분리막이 있다. 전체가 양극, 음극, 전해질로 구성되어 있는 상태에서 양극활물질이 전해액에 의해 음극으로 이동하며 충전하는 과정과 음극활물질이 양극으로 이동하는 방전 과정이 반복되는 원리이다. 2차 전지는 양극활성제 종류에 따라 납축전지, 니켈카드늄전지, 니켈수소전지, 리튬이온 및 폴리머전지 등이 있다. 리튬이온전지는 형탱 따라 각형, 원통형, 폴리머로 구분되는데, 각 용도를 살펴보면 각형은 휴대폰과 PDA에, 원통형과 폴리머는 노트북 등 전기제품뿐 아니라 전기자동차 배터리에 사용된다. 화석연료 고갈로 인한 에너지 수급 문제, 온실가스 배출로 인한 지구온난화가 심화되고 있어 세계 각국은 효율적으로 에너지를 저장하고 활용하기 위해 전기자동차, 스마트그리드 등의 기술개발을 위한 노력을 하고 있다. 화석연료를 대체하기 위해 각국 정부는 태양광, 풍력 등 신재생에너지와 원자력의 보급을 확대하려는 정책을 펴고 있다. 일조량, 풍향 등의 조건에 따라 전력 생산에 변화가 있는 신재생에너지는 효율적인 전력관리와 스마트그리드와의 연계를 위해서 2차 전지가 필수적이다. MP3 플레이어, 휴대폰, 디지털카메라, 노트북 등이 스마트폰, 태블릿PC 등 소형화 고용량 전력을 요구하는 첨단융합기기로 발전하고 있어 2차 전지의 기술력이 미래 모바일 시장에 큰 영향을 끼칠 것이다. 따라서 장소에 상관없이 스마트폰으로 업무를 하고 엔터테인먼트를 즐기는 최근 트렌드에 대응하기 위해서는 에너지 저장 기술력 향상이 요구된다.

역사

2차 전지의 등장

최초의 2차 전지인 납축전지는 건전지가 발명되기 7년 전인 1859년 프랑스에서 발명됐다. 납축전지는 음극에 납, 양극에 산화납을 사용한 전지로 전해액은 황산 수용액이다. 평균 전압은 2V로 물의 전기분해 전압인 1.34V보다 높지만 운동 장벽(kinetic barrier)으로 인하여 전해액이 분해되지는 않는다. 납축전지가 발명된지 거의 160년이 지난 지금까지 널리 사용되고 있는 것은 가격 대비 성능이 뛰어나기 때문이다. 1800년대 후반에 들어서면서 전신, 기차 등에 납축전지보다 우수한 2차 전지의 필요성이 증대되면서 1899년 스웨덴에서 니카드전지가 등장했다. 스웨덴처럼 추운 나라는 전통적으로 전기 화학이 강한데, 금속 표면에 전기 도금을 해야 오래 사용할 수 있기 때문이다. 니카드전지와 경쟁자로 등장한 것이 미국의 발명왕 에디슨이 개발한 니켈-철 전지다. 1960년대에 일본의 산요(Sanyo) 사가 휴대용 전자기기에 사용할 수 있는 밀폐형 소형 니카드전지를 개발했다. 밀폐형 니카드 전지의 핵심 기술은 과충전시 양극에서 발생하는 산소 가스가 음극에서 흡수되어 과충전에 의한 가스 발생을 막는 것으로 “산소 재조합 메커니즘(oxygen recombination mechanism)”이라고 한다. 이 전지의 개발로 2차 전지의 시장이 자동차와 산업용에서 휴대용 전자기기로 영역이 넓혀지면서 건전지 시장을 잠식했을 뿐만 아니라 휴대용 전자기기 시장 활성화에 크게 기여하게 된다.

2차 전지 개발 경쟁

가장 먼저 새로운 2차 전지를 시장에 선보인 나라는 캐나다였다. 1980년대 전지 강국 중 하나였던 캐나다의 실력 있는 과학자, 기술자들이 모여서 전지 벤처를 만들었는데 이 업체가 이원 몰리 에너지(E-One Moli Energy)이다. 몰리 에너지는 고용량, 장수명의 획기적인 전지인 리튬 2차 전지를 몰리셀(MOLICEL)이라는 브랜드 명으로 1988년 출시했다. 몰리셀은 일본 닛폰전기(NEC)의 휴대폰에 장착되어 사용되면서 사람들의 관심을 끌었고 북미, 유럽, 일본의 2차 전지 개발 경쟁은 이렇게 북미의 승리로 막을 내리는 듯 보였다. 그러나 역사는 반전이 있기 마련이다. 동경의 길바닥에 휴대폰이 떨어져 있었다. 지나가는 행인이 호기심에 휴대폰을 집어 들고 귀에 대는 순간 휴대폰에서 불이 나게 된다. 몰리 에너지의 리튬 2차 전지가 장착된 닛폰 전기 휴대폰이었다. 이 사건으로 1989년 8월 닛폰 전기는 대대적으로 휴대폰을 리콜했고 캐나다의 몰리 에너지는 도산해 후에 닛폰 전기로 흡수된다. 이런 혼란 속에서 새로운 전지 2개가 일본에서 탄생된다. 도시바 전지와 파나소닉은 1990년에 니카드전지에서 카드뮴 음극을 수소 저장 합금으로 교체한 니켈수소전지를 상업화한다. 이어서 소니가 기존 전지보다 전압이 3배 높고, 수명이 1000회가 넘는 획기적인 전지인 리튬 이온 전지를 1991년 상업화했고, 새로운 전지의 주인공이 된 일본은 북미와 유럽을 제치고 전지의 새로운 강자로 등극하게 됐다.

리튬 이온 전지

리튬 이온 전지는 리튬 금속을 흑연으로 교체한 전지로 리튬 전지를 안전하게 사용하기 위한 노력의 결과로 발명됐다. 리튬이 충방전시 음극과 양극을 왔다 갔다 한다고 하여 스윙(SWING) 전지라고 한다. 소니는 리튬이 원자가 아니라 이온의 형태로 존재하기 때문에 몰리 에너지의 리튬 전지와 같은 발화 사고가 일어나지 않을 것이라는 점을 강조했고 그들의 스윙 전지를 리튬 이온 전지라고 불렀다. 리튬 이온 전지는 지금까지 개발된 전지 중에서 부피, 무게당 에너지 용량이 가장 크고, 가장 오래 쓸 수 있는 2차 전지이다. 또한, 창의력의 상징이었던 소니에서 상업화하였다는 것도 흥미로운 사실이다. 소니는 자사 캠코더의 경쟁력을 향상시킬 목적으로 리튬 이온 전지를 개발했다. 리튬 이온 전지에서 가장 많이 쓰이는 전지가 18650 원통형 전지로 지름 18mm, 높이 65mm 이다. 소니는 캠코더를 주로 사용하는 사람들이 중년의 동양 남자라는 것을 파악하고 중년의 동양 남자가 잡았을 때 가장 안정감을 느낄 수 있는 전지 크기로 18650 원통형 전지를 설계했다. 캠코더와 노트북에 사용되던 소형의 18650 원통형 전지가 미국 전기 자동차 업체인 테슬라(Tesla)서도 사용되고 있는데, 테슬라의 전기 자동차에는 7,104개의 18650 원통형 전지가 사용되고 있다. 리튬 이온 전지는 전해액에 유기 용매를 사용하기 때문에 발화, 폭발의 위험성이 높다. 이런 위험성을 방지하기 위해 소니에서는 과충전, 과방전, 과전류에서 전류를 차단해 안전성을 유지하는 보호회로를 개발해 전지에 장착했다. 전자회로의 전원으로 사용되는 전지를 안전하게 구동하기 위하여 보호회로라는 전자 회로가 부착되어야 하는 모순적인 상황이 발생한 것이다.

원리

이차전지의 핵심이 되는 물질은 ‘리튬’이라는 물질이다. 따라서 최근 언론에 리튬이온전지(Li-ion battery)를 언급하는 모습을 많이 볼 수 있다. 리튬은 원자번호가 3번이다. 원자번호는 지구상에 존재하는 물질을 원자의 무게 순으로 나열해 놓은 것인데 3번이라는 건 1번인 수소, 2번인 핼륨 다음으로 가볍고 작은 물질이라는 뜻이다. 작고 가벼우니까 움직이기도 쉽고 구멍 등을 통과하기도 쉬워서 사용되고 있다. 이차전지가 충전되는 동안에는 양극에 있는 리튬이 음극으로 이동하게 된다. 이건 마치 공을 낮은 곳에서 높은 곳으로 올리듯이 자연적으로 일어나는 일이 아니라서 콘센트에 꼽아줘야 충전이 된다. 그리고나서 코드를 뽑고 전지를 사용하면 음극에 있던 리튬이 다시 양극 쪽으로 이동하면서 휴대폰이나 노트북과 같은 기기가 동작하게 된다. 이차전지를 이루는 가장 기본적인 구성 요소는 양극, 음극, 분리막 전해질이다. 양극과 음극은 리튬원자를 보관하는 물질이다. 양극은 리튬, 금속, 산소가 결합되어 있는 형태의 물질(리튬금속산화물)로 구성되어 있다. 충전중에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬만 쏙 빠져 나와서 음극으로 옮겨 간다. 음극은 여러가지 소재가 있지만 최근에 많이 사용되는 음극은 천연흑연을 기본으로 이루어져 있다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있다. 이를 층상구조라고 하는데 양극에서 빠져 나온 리튬원자 들이 이러한 층상 구조 사이로 끼어 들게 된다. 이차전지를 사용할때는 반대 현상이 벌어지게 된다. 흑연 사이에 끼어 있던 리튬이 다시 양극으로 이동해서 다시 리튬금속산화물을 이루게 된다. 분리막은 이름 그대로 양극과 음극을 분리시켜 주는 역할을 한다. 집에 있는 콘센트에 쇠 젓가락 꼽아서 연결하면 감전되는 것처럼 이차전지의 양극과 음극도 서로 연결되면 전지가 고장나거나 아니면 폭발이 일어나거나 하니까 양극과 음극을 서로 분리시켜 놓을 필요가 있다. 그러면서도 그 사이로 리튬이 지나가야 되니까 분리막은 아주 작은 구멍이 숭숭 뚫려있는 구조를 가지고 있다. 전해질은 리튬이 이동할 수 있도록 도와주는 용액이다.

종류

현재 생산 공급되어 실용화되고 있는 대표적인 2차 전지로서는 납축전지, 니켈카드뮴 축전지, 니켈수소화물 축전지 그리고 리튬이온 전지를 들 수 있으며, 차세대 전지로 주목받고 있는 리튬폴리머 전지 등은 몇 종류에 지나지 않는다.

납축전지

납축전지는 대표적인 2차 전지의 하나로서 1860년 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테(Gston Plante)가 최초로 선을 보인 이래 백 수 십년 동안이나 기술 개량을 거듭하면서 현재의 저렴하고 신뢰성이 높은 전지가 되었다. 주로 자동차용 배터리로 사용되고 있으나 전기자동차 시대에 출현할 신형전지의 등장이 기대되고 있다. 기본적인 원리와 전지소재는 크게 변한 것이 없으나 자동차의 고성능화와 함께 고출력화 및 신뢰성 향상 등에 있어서 최근 20년 간 급속한 기술 진보를 보였다. 전극의 박판화 및 바이폴라화 등 새로운 기술 개발로 에너지 밀도를 높이는 데 주력하고 있다. 대체로 일반용 2차 전지 시장에는 경제성으로 인해 납축전지가 아직도 지배적이다. 통신수단의 발달은 소형전지뿐만 아니라 이들의 네트워크 백업용 전원의 수요도 크게 증가시켰고, 대형 컴퓨터의 무정전 전원장치(UPS), 공장 내에서의 운송기계 등의 전원으로도 수요가 크게 늘고 있다.

니켈카드뮴 축전지

니켈카드뮴 축전지는 니카드 전지라고도 하며, 1890년대에 전기자동차용으로 스웨덴의 발명가인 발데마르 융그너(Waldemar Jungner)에 의해 개발되었으나 가격이 높고 신뢰성이 없어서 1950년대까지 별로 관심을 끌지 못했다. 그러나 니켈의 소결식 극판이 개발되면서 고율의 방전, 과충방전, 장수명 등 2차 전지로서의 특성이 뛰어나 1980년대에 급성장을 보인 휴대용 소형기기의 전원으로써 그 수요가 비약적으로 증가하였다. 납축전지에 비해 고성능, 장수명이며 전동공구, 완구용의 전원으로 널리 보급되었다. 아직도 소형 2차 전지의 중심이 되고 있으나 1990년부터 본격적으로 시장에 나온 니켈수소 전지에 밀려 점차 자리를 내주고 있다.

니켈수소 전지

니켈수소 전지는 고에너지 밀도의 소형전지로서 니켈카드뮴 전지의 환경문제를 대체하여 1990년대에 급성장한 2차 전지이다. 1995년경부터 니켈카드뮴 전지 대신 휴대전화에 채용되기 시작하여 단위 용량당 코스트가 대폭적으로 인하되고 있으며, 600~700WaH 시장을 점유해 가고 있다. 니켈수소 전지는 전지 전압이 니켈카드뮴 전지와 같은 1.2V이면서도 에너지 밀도는 최고 2배 가까이 크므로 기존의 니켈카드뮴 전지 시장을 쉽게 공략하고 있으며, 또한 최근 전기자동차용 전원으로도 주목받고 있다.

리튬이온 전지

리튬이온 전지는 컴퓨터나 휴대전화 등의 고에너지 밀도의 소형전지로 급성장한 새로운 2차 전지이다. 일본의 소니(Sony)가 1990년초 2차 전지 시장에 내놓은 리튬이온 전지는 공칭 전압이 3.6V이고 에너지 밀도가 니켈카드뮴 전지에 비해 체적당 2배, 중량당 3배 정도로 높아 휴대폰과 노트북 PC의 대중화에 한 몫을 하고 있다. 고전압 및 고에너지 밀도와 뛰어난 가역성을 특성으로 하고 있는 리튬이온 전지는 메모리 효과가 없고, 원재료의 무공해성 등으로 휴대기기그이 소형 경량화에 가장 적합한 전지로 각광받고 있다. 시장 도입 후 니켈카드뮴, 니켈수소 전지를 급속히 대체해 나가고 있으나 한편으로는 원재료나 생산장비가 고가이고 액체전해질 이용에 따른 셀 디자인의 한계성, 안전성 확보를 위한 기술개발의 지속적인 요구 등의 해결과제가 있다.

리튬폴리머 전지

리튬폴리머 전지는 리튬폴리머 전지는 전극재료가 전도성 폴리머인 전지시스템에 붙여진 이름이나 최근에는 전해질만폴리머로 대체한 전지시스템도 같은 이름을 붙이고 있다. 따라서 리튬이온 전지 시스템에서 전해질만 전도성 폴리머로 바꾼 전지는 리튬이온 폴리머 전지(LIPB; Lithium Ion Polymer Battery)로 부르고 있다. 리튬이온 폴리머 전지는 이온 전도도가 우수한 고분자 전해질을 사용하여 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 전지의 단점인 누액 가능성과 폭발 위험성을 최소화하는 장점이 있다. 아직 세계적으로도 양산이 되지 않아 이러한 장점들이 실증되지 못하고 있으나 시제품의 성능은 에너지 밀도가 150Wh/kg에 이르며, 수명도 1,000회 이상으로 수치상으로는 기존의 리튬이온 전지보다 성능면에서도 우수한 것으로 발표되고 있다. 또한 고체 전해질을 사용하기 때문에 다양한 형태의 전지설계가 가능하고 제조 공정이 단순화될 것으로 기대되어 생산 가격이 낮아질 수 있다. 일본이 석권하고 있는 리튬이온 전지에 대응하기 위해 미국 등에서 전력을 다하고 있는 분야로서 특히 전기자동차나 연료전지 등의 분양에 이용할 계획으로 연구개발이 진행되고 있다.

소재

2차 전지 밸류체인 속에서 금속소재산업은 1) 자연상태에서 리튬/코발트/니켈/망간 등 금속광물을 채취하는 광업(Mining), 2) 채취된 금속광물을 양극재에 사용하기 위한 탄산리튬/수산화리튬, 황산코발트, 황산니켈, 전구체 등 중간재 형태로 가공하는 소재가공(Materials processing), 3) 리튬과 전구체를 결합해 완제품을 생산하는 양극재 제조(Component production)로 세분화할 수 있다. 2차 전지의 성능과 가격을 결정하는 핵심요소는 양극재/음극재/분리막/전해질 등 셀(Cell)을 구성하는 4대 소재이다. 특히 2차 전지의 에너지 밀도를 좌우하는 양극재에는 리튬, 코발트, 니켈, 망간, 알루미늄, 철 등의 다양한 금속소재가 사용된다. 자동차용 2차 전지 셀의 원가 중 재료비가 차지하는 비중이 약 60%로 가장 큰데, 특히 재료비 중에서도 양극재(43%)의 비중이 가장 크며 양극재 원가는 함유하고 있는 금속소재의 가격변동에 따라 움직인다. 양극재에 사용되는 금속소재들은 각각의 역할이 있다. 리튬은 충전과 방전에 따라 양극과 음극을 오가며 전자를 이동시키는 역할을 하고 코발트/니켈/망간/알루미늄은 리튬화합물 상태로 양극활물질을 구성하는데 사용된다. 양극활물질 구성에 있어 어떤 금속을 쓰느냐에 따라 2차 전지의 성능이 달라지는데 코발트는 출력, 니켈은 용량, 망간은 안정성을 좌우한다. 최근 추세는 코발트함량이 낮고, 니켈함량이 60%이상인 3원계 하이(High) 니켈계 양극재의 선호도가 높아지고 있다.

양극재

양극재는 배터리의 성능과 원가에 가장 큰 영향을 미친다. 양극재는 집전체인 알루미늄에 화물질, 도전재, 바인더를 섞은 합재를 코팅한 후, 건조·압착하여 제작한다. 배터리 특성을 말할 때 가장 중요하게 생각하는 것이 바로 용량과 출력인데, 리튬이온 배터리의 용량과 출력 특성은 주로 양극이 결정짓는다. 리튬은 반응성이 커 자연 상태에 있을 때에는 리튬 원소로 있지 않고, 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li + O) 형태로 존재한다. 산화물 상태가 안전하므로 배터리 양극에도 리튬산화물 형태로 리튬이 존재하는데, 리튬산화물처럼 양극에서 배터리 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 부른다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지기 때문에 배터리 용량과 전압이 결정된다. 이렇게 양극 성능을 결정짓는 양극 활물질은 리튬과 금속성분 조합으로 구성된다고 볼 수 있다. 이때 금속 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 가진다. 금속 종류별로 니켈(Ni)은 고용량 특성, 망간(Mn)과 코발트(Co)는 안전성, 알루미늄(AI)은 출력 특성을 향상시키는 역할을 한다. 전기자동차가 요구하는 다양한 배터리 성능을 만족시키기 위해 배터리 업체들은 이 소재들의 적절한 조합 능력을 확보하는 게 중요하다. 현재 생산되는 대부분 전기차 배터리는 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄), LMO(리튬·망간·산화물) 양극 소재를 적절히 혼합해 사용한다. 이러한 이유로 전기차 배터리로는 주로 NCM, NCA 양극 활물질을 중심으로 제품 개발이 이어지고 있다. 이 가운데 최근 업계에서 주목하는 물질은 NCA이다. NCA는 NCM, LMO 등에 비해 출력과 에너지밀도가 높은 특성이 있어 소형전지용으로 주로 전동공구 등에 채용되고 있다.

리튬

리튬은 2차 전지의 핵심 소재로 NCM622기준 55kWh EV 1대당 약 7kg의 리튬이 사용되며 2차 전지의 용량만 동일하다면 양극재 종류와 상관없이 대당 사용량은 유사하다. 리튬은 수요량을 LCE(Lithium Carbonate Equivalent, 탄산리튬 상당)로 표기하는데 리튬금속 1㎏은 탄산리튬 5.322㎏에 해당한다. 2차 전지 산업의 성장에 따라 세계 리튬수요는 2010년 12만톤(LCE)에서 2018년 25만톤(LCE) 규모로 가파른 성장을 보이고 있다. 2018년 기준 용도별 리튬 수요는 절반은 산업용(세라믹/유리/윤활제 등), 절반은 2차 전지용에 사용되고 있으며 2차 전지용은 다시 EV 50%, IT 40%, ESS 5% 세분화된다. 전망기관에 따라 편차가 있지만 EV용 2차 전지 생산량이 급증하면서 2025년 세계 리튬수요는 적게는 60만톤(LCE)에서 많게는 100만톤(LCE) 규모로 폭발적인 성장이 예상된다. 현재 리튬수요는 탄산리튬(Lithium Carbonate, Li2CO3) 형태가 절반이상을 차지하지만 니켈함량 80% 이상의 NCM811, NCA 등 고용량 양극재에는 탄산리튬보다 수산화리튬(Lithium Hydroxide, LIOH)이 주로 사용되므로 중장기 수산화리튬 수요비중이 탄산 리튬을 초과할 것으로 예상된다.

코발트

2차 전지의 출력에 관여하는 코발트는 전통적으로 고온고압에 사용되는 초합금(Superalloy)이나 세라믹 첨가재, 촉매 등에 주로 사용되었지만 이제는 전체 수요에서 2차 전지 비중이 절반을 넘어섰으며 2차 전지 중에서도 EV용 비중은 전체 코발트 수요의 10% 수준으로 추정된다. EV 1대당 코발트 사용량은 어떤 양극재를 사용하느냐에 따라 크게 달라지는데 용량 55kWh 기준으로 NCM111은 약 22kg, NCM622는 12kg, NCM811은 약 5kg, NCA는 약 8kg 코발트가 필요하다. 고용량의 하이 니켈계 양극재 선호도는 2차 전지의 단위용량당 코발트 사용량을 감소시키는 요인이긴 하지만 기본적인 2차 전지 수요성장과 EV 1대당 탑재용량 증가는 절대적인 코발트수요 증가로 이어질 수밖에 없다. 세계 코발트 수요는 2007년 5만톤 규모에서 2018년 11만톤 규모로 성장한 추정되며 2차 전지 수요성장에 따라 2025년경에는 20만톤 수준으로 성장이 예상된다. 단, 성장속도는 하이 니켈계 양극재 침투 속도에 따라 차이가 발생할 수 있다.

니켈

2차 전지의 용량에 관여하는 니켈은 전통적으로 스테인리스스틸 제조에 약 70%가 사용되어왔고 아직까지 2차 전지에 사용되는 비중은 약 3~5% 불과한 것으로 추정된다. 하지만 2차 전지 시장의 성장과 하이 니켈계 양극재 선호에 따라 2차 전지향 니켈수요는 리튬, 코발트 등 2차 전지 관련 소재 중에서도 향후 가장 가파른 성장이 예상된다. EV 1대당 니켈 사용량은 코발트와 마찬가지로 어떤 양극재를 사용하느냐에 따라 편차가 큰데 용량 55kWh 기준으로 LCO는 0kg, NCM111은 약 22kg, NCM622는 35kg, NCM811은 약 41kg, NCA는 약 42kg의 니켈이 필요하다. 현재 테슬라 모델S와 모델X의 탑재용량 100kWh(NCA)의 경우 대당 80kg 이상의 니켈이 필요한 상황이다. 니켈은 함량에 따라 99% 이상인 클래스(Class) 1과 99% 미만인 Class 2로 세분화되는데 2차 전지 양극재에 사용되는 황산니켈(Nickel Sulfate)은 클래스 1 니켈만 사용되고, 클래스 2 니켈은 대부분 니켈선철(Nickel Pig Iron, NPI)와 페로니켈(Ferro Nickel, Fe-Ni)로 스테인리스스틸 제조에 사용된다.

음극재

리튬이차전지는 양극, 음극, 분리막, 유기 전해액으로 구성되어 있으며, 전이금속산화물(transition metal oxide)을 양극 소재로, 탄소를 음극소재로 사용한다. 초기의 리튬이차전지는 음극재료로서 리튬금속을 사용하였으나, 충·방전이 반복됨에 따라 리튬금속의 이온화에 의한 용해 또는 석출(dendrite)되는 현상이 일어나 전지의 내부 단락이 초래되어 전지의 안전성 문제로 상용화에 실패하였다. 1970년대부터 약 20년 간의 연구개발 끝에 리튬금속을 탄소재료로 대체함으로써 전지의 안전성 문제를 해결하면서 상품화되었다. 상품화 이래 리튬이차전지는 전지 내부공간의 최적화 및 설계로 인해 비약적으로 전지의 성능을 향상시켰으나, 현재는 한계에 이르렀다. 기존의 방법에 더 이상 의존할 수 없기 때문에, 전지업체는 고용량화 및 고출력화 기술을 위해 음극 전극소재 개발에 집중하고 있다. 혀재 음극활물질은 대부분 흑연이 사용된다. 흑연이 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성, 많은 리튬 이온 저장 능력, 저렴한 가격 등의 조건을 갖추고 있기 때문이다. 천연흑연은 원가와 용량에서 강점을 가지고, 인조흑연은 조직이 안정적이며 수명이 길다. 전기차용으로는 성능 향상이 유리한 인조흑연의 사용이 확대되고 있다. 한편 시장조사업체 SNE리서치는 2020년 2월 19일 발표한 ‘리튬 2차 전지 음극재 기술 동향 및 시장 전망’ 보고서에서 2025년 전체 음극 활물질 수요는 136만 톤(T)으로 2019년 19만 톤 대비 연평균 39%가 증가할 것이라고 예측했다. 특히 가장 큰 비중을 차지하는 인조흑연 음극재는 2019년 53%에서 2025년 60%로 그 비중이 더욱 확대될 것이라고 전망했다. 이와 달리 SNE리서치는 천연흑연 음극재 비중이 같은 기간 43%에서 28%로 줄어들 것이라고 전망했다. 그 빈 자리를 차지하는 음극활물질로는 실리콘이 꼽혔다. 실리콘 음극재는 흑연계 음극재보다 에너지 밀도가 4배 정도 높지만 기술적 문제 때문에 아직 그 비중이 낮은 상태다. 실리콘 특성상 부피 팽창으로 조직이 빠르게 파괴돼 2차 전지의 빠른 충·방전 수명 단축을 야기한다.

분리막

분리막은 리튬이온 이차전지를 구성하는 주요 소재 중 하나이다. 이차전지에서 양극활물질과 음극활물질의 물리적 접촉을 막아 단락을 방지하며 이온이 오가는 통로 역할을 한다. 분리막은 다공성 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 상용화돼 있고, 제조공정에 따라 습식과 건식으로 나뉜다. 습식 분리막은 강도·탄성·두께·기공균일도 등에서 우수하고, 건식 분리막은 원가 경쟁력이 높다. 단가는 건식분리막 대비 높지만, 박막화가 가능해 높은 에너지밀도 확보가 용이하여 고속 자동화 라인에는 강도가 우수한 습식막이 적합하다. 일반적으로 전기자동차 이차전지에 많이 사용한다. 반면 건식분리막의 경우 제조 단가는 낮지만, 박막화가 어렵다. 높은 에너지밀도를 요구하지 않는 에너지 저장장치나 전기 시내버스 등에 주로 사용한다. 리튬폴리머 전지의 경우 다공성 고분자막 표면에 세라믹 입자층을 코팅한 강화 분리막을 사용하는데, 고온에서도 분리막의 기계적 수축을 방지해 내구성과 내열성을 높여주기 때문이다. 한편 SNE리서치가 집계한 2019년 글로벌 리튬이온 이차전지용 분리막의 수요는 총 28억m²이다. 2025년 수요는 약 193억m²으로 예상했다.

전해액

전해액은 리튬이온 이차전지를 구성하는 주요 소재 중 하나이다. 이차전지에서 양극활물질과 음극활물질 간에 리튬이온이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 전해액은 리튬염, 용매, 첨가제로 구성된다. 리튬염은 음이온의 크기가 크고 이온전도도가 우수한 LiPF6(육불화인산리튬)를 상업용 전해액의 표준으로 사용하고, LiBF4, AsFAsFAsF6, LiCIO4, LiTFSI, LiBOB 등도 사용된다. 유기용매는 유전율과 점도가 높은 고리형 카보네이트(EC, PC 등)를 기본 용매로 하고, 유전율과 유전율과 점도가 낮은 사슬형 카보네이트(DMC, DEC, EMC 등)를 보조 용매로 혼합해 제조한다. 한편 국내외 전해액 제조업체들은 전해질의 안정적인 확보와 저가격화, 고순도화를 적극 추진하고 있다. 전해액 제조기술은 성숙단계에 와 있기 때문에 양산하는 것 외에 저가격화의 길은 없는 것으로 알려져 있고, 전해액의 저가격화를 위한 고성능의 저가 첨가제 확보가 중요한 과제가 되고 있다. 또한, 산업기기용이나 자동차용 중대형급 이상의 이차전지 수요가 증가 추세에 있기 때문에 이차전지의 안정성 향상, 저가격화 요구가 커지고 있고 이에 따라, 전해액 첨가제의 고기능화, 저가격화는 점점 더 중요한 과제로 대두되고 있다. 2019년 전 세계 리튬이온 이차전지용 전해액의 수요는 총 13만 5천 톤 수준이었다. 2020년 2월 21일 전기자동차용 이차전지 시장조사업체 SNE리서치의 2020년 리튬이온 이차전지 전해액 기술 동향 및 시장전망 보고서에 따르면 이차전지 전해액의 시장 수요는 2019년부터 오는 2025년까지 연평균 성장률이 42%에 달할 전망이다.

생산 공정

2차전지 장비는 생산 공정별로 구분 할 수 있다. 먼저 2차전지 생산 공정을 살펴보면 크게 전극 공정, 조립 공정, 활성화 공정으로 분류된다. 전극 공정은 양극(+), 음극(-) 극판을 만드는 공정이다. 믹싱(Mixing) 단계에서 활물질, 도전제, 바인더를 섞고 이를 코팅(Coating)하고, 압축(Pressing)하여, 슬리팅(Slitting)한 후, 드라잉(Drying) 단계를 거치면서 극판에 각 소재를 도포하고 건조시켜 각각의 양극판과 음극판, 분리막 등으로 만든다. 조립 공정은 전극과 원재료를 가공 및 조립해서 완성품을 만드는 공정이다. 아래와 같은 공정을 거쳐 최종 형상이 완성된다.

1. 단판 극판 제조(Notching)
2. 일정한 두께로 쌓음(Stacking)
3. 전류를 한 곳에 모음(Tab Welding)
4. 전지 밀봉(Packaging)
5. 가스 불순물 분출(Degassing)

활성화 공정은 조립 공정에서 완성된 전지를 충·방전하여 전기적 특성을 부여한다. 전극 공정에는 롤투롤 장비가 사용되며 국내 대표적인 제조 업체로 피엔티, 씨아이에스가 있다. 롤투롤 장비는 전극 공정뿐만 아니라 동박 제조 설비로도 활용된다. 조립 공정에는 위 1~4단계 등에서의 조립 장비가 사용되며 제조 업체로는 엠플러스, 디에이테크놀로지, 엔에스 등이 있다. 조립 장비 업체들은 최근 공정 전체를 한번에 공급하는 턴키(Turn-Key) 기반 수주를 확대하고 있다. 활성화 공정에는 피앤이솔루션의 충·방전 장비가 사용되며 이후에는 셀 수명 주기 테스트도 진행된다. 그외 장비로는 탈철(Fe)을 위해 대보마그네틱의 자력선별기(ENF)가 사용되며 최종 검사로는 이노메트리의 엑스레이(X-ray) 검사장비가 활용된다.

응용분야

전지산업은 전기자동차, 이동통신뿐만 아니라 항공 우주산업, 신에너지 기술산업 등 미래 세계를 이끌어갈 고부가가치 핵심 전략사업으로 부상할 것으로 예측되고 있다. 2차 전지의 응용분야는 크게 2가지로 나눌 수 있다. 하나는 노트북, PC, 휴대전화, 미니 디스크플레이어, 디지털 캠코더, 디지털 사진기, 휴대용 게임기, 휴대용 정보단말기 등 휴대용 정보통신 단말기에 사용되는 것이다. 다른 하나는 미래 휘발유 자동차를 대체할 전기자동차나 하이브리드 자동차에 사용되는 것으로서 근래에는 리튬이온 폴리머 전지와 같이 무게가 리튬이온 전지에 비해 1/3로 줄고, 접을 수도, 말을 수도 있는 전지가 개발되고 있다. 향후 2차 전지의 응용분야는 급속도로 확대될 것으로 보이며, 전기자동차의 상용화가 이루어지며 폭발적인 수요가 예상된다. 납축전지의 경우는 자동차, 오토바이, 각종 동력장치, UPS 등에서 사용되고 있으며, 2차 전지의 사용범위는 거의 모든 분야에서 이미 실생활에 깊이 들어와 있다. 최근 전기자동차 및 에너지 저장장치에 활용되는 중대형 부문이 가파르게 성장하고 있으며, 지속적으로 확대될 것으로 전망된다. 차량용 2차 전지는 제품 표준화를 통한 대량생산 및 기술개발로 낮은 가격과 성능 안정화를 달성하면서 전기차 시장의 성장을 주도하고 있다. 배터리 성능 개선으로 전기차의 한계라고 지적되던 짧은 주행거리가 해결되면서 시장이 급격하게 확대되고 있다. 실제로 2011년 출시된 닛산 리프의 주행거리는 159km, 2014년에 출시된 BMW i3의 주행거리는 300km, 2018년 출시된 테슬라 모델S의 주행거리는 417~507km로, 배터리에 의해 결정되는 주행거리가 급격히 늘어나고 있다. 전기차에 장착되는 배터리는 셀-모듈-팩 순서로 조립되어 있으며, 셀 자체 출력뿐 아니라 모듈과 팩 구성에 따라 배터리 효율을 결정한다.

참고자료

• 이윤철, 이재환, 임영이, 조성선, 〈2차전지 최신기술 및 시장동향 - Recent Trends of Secondary Battery Technology and Market Share〉, 《한국전자통신연구원》, 1999-12
• 미래산업팀 김태윤 팀장, 김준호 조사역, 〈2차전지 산업동향 및 발전방안〉, 《전국경제인연합회》, 2011-06-20
• 김효상 선임연구원, 〈알고 보면 재미 있는 과학 – 이차전지 이야기〉, 《GS칼텍스 미디어허브》, 2012-04-06
• 선우준, 〈(화학개론) 전지의 원리와 형태〉, 《LG케미토피아》, 2016-07-27
• 김정현, 〈(2차전지 소재/장비) 2019년, 한국 2차전지 밸류체인의 비상(飛上)〉, 《한화투자증권》, 2019-03-04
• 기업분석팅 이종형 애널리스트, 오현진 RA, 〈이차전지 소재 - 앞단에서 찾아본 투자기회〉, 《키움증권 리서치센터》, 2019-10-22

같이 보기

• 1차 전지
• 배터리
• 전기자동차

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