배터리 산업 훑어보기 (feat. Chat GPT)

배터리 산업 훑어보기

전기차 시장과 재생 에너지 시장의 성장으로 낙수 효과를 얻은 가장 대표적인 산업인 배터리 산업은 기간산업으로 언급될 만큼의 엄청난 성장세와 꾸준한 발전을 이어가고 있습니다. 수많은 사람들이 주목하고 있는 대표적인 산업 분야 중 하나입니다.

 

먼저, 배터리 산업의 근황을 알아보기 이전에 배터리에 대해 가볍게 정리하겠습니다.

 

- 배터리 (2차 전지) : 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하여 저장하는 장치

- 배터리의 구성 요소 : 양극재, 음극재, 전해액, 분리막

 

즉, "배터리를 구성하는 네 가지 요소의 소재 및 재료 변경, 성능 및 형상 개선"으로 더 나은(성능, 안정성, 원가,에너지 밀도 등) 배터리를 만들기 위해 천문학적인 시간과 재화를 투자하는 중이라고 생각하면 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.

 

리튬 이온 배터리 vs LFP 배터리 vs 전고체 배터리

각각의 배터리에 대해 Chat GPT에게 물어보면 다음과 같이 알려줍니다. 

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• 리튬 이온 배터리

리튬이온 배터리는 현대 전자제품 및 이동식 전원 기기에서 가장 일반적으로 사용되는 재충전식 배터리입니다. 이 배터리는 높은 에너지 밀도, 경량화, 빠른 충전 속도, 낮은 자체 방전률 등의 장점으로 인해 널리 사용되고 있습니다. 

- 구성 요소: 리튬이온 배터리는 양극(양극활물질), 음극(음극활물질), 전해질, 및 분리막으로 구성됩니다. 양극은 주로 산화된 금속 산화물로 구성되고, 음극은 탄소 기반의 물질로 이루어져 있습니다. 전해질은 리튬 이온들이 이동할 수 있는 전기를 전달하는 매질입니다. 분리막은 양극과 음극을 분리하여 셀 내부의 단락을 방지합니다.

 

- 충전 및 방전 과정: 배터리가 충전될 때, 리튬 이온들은 양극에서 분리되어 전해질을 통해 음극으로 이동합니다. 이 과정에서 화학 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다. 이와 반대로, 배터리가 방전될 때는 반대의 과정이 일어납니다.

 

- 장점: 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 우수한 충전 특성을 가지고 있어 휴대용 전자제품이나 전동차와 같은 대형 전원 장치에 적합합니다. 또한, 자체 방전률이 낮아서 충전 후에도 오랫동안 에너지를 유지할 수 있습니다.

 

- 단점: 리튬이온 배터리는 과충전이나 과방전으로 인한 안전 문제가 있을 수 있으며, 높은 온도에서 사용될 때 내부 구성물질의 변화로 인해 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 또한, 이러한 배터리의 수명은 충전 및 방전 주기에 따라 달라집니다.

 

• LFP 배터리

 LFP 배터리는 리튬 철 인산(LiFePO4)를 양극 활물질로 사용하는 리튬이온 배터리의 한 종류입니다. 이 배터리는 안정성과 안전성이 높고 비용 효율적이며, 전동차 및 에너지 저장 시스템 등에 널리 사용되고 있습니다.

- 안정성: LFP 배터리는 안정성이 높아 과충전이나 과방전, 고온 등의 상황에서도 안전성이 보장됩니다.

 

- 고온 특성: LFP 배터리는 다른 리튬이온 배터리에 비해 고 온에서의 안정성이 우수합니다. 따라서 높은 온도에서의 사용이 요구되는 환경에서 효과적으로 사용될 수 있습니다.

 

- 긴 수명: LFP 배터리는 충전 및 방전 주기를 거듭해도 우수한 성능을 유지할 수 있는 긴 수명을 가지고 있습니다.

- 저렴한 가격: 다른 리튬이온 배터리에 비해 생산에 사용되는 원료의 비용이 낮기 때문에 상대적으로 저렴한 가격으로 제공될 수 있습니다.

- 장점: 안정성이 높고 안전성이 우수하며 비교적 저렴한 가격으로 구매할 수 있다는 점이 있습니다.

- 단점: 전력 밀도가 다른 리튬이온 배터리에 비해 낮고, 용량이 상대적으로 작을 수 있다는 점이 있습니다.

 

• 전고체 배터리

전고체 배터리의 주요 장점은 안전성이 뛰어나고 높은 에너지 밀도를 제공한다는 점입니다. 또한, 내화학적 안정성이 우수하며, 낮은 열 확산률을 가지고 있어 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 이러한 장점들은 전동차, 전자 제품 및 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에서의 적용 가능성을 높여주고 있습니다.

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배터리의 대표격인 리튬이온 배터리와 더불어, 현재 배터리 산업에서 가장 영향력이 큰 T사가 채택한 LFP 배터리

이 두 종류의 배터리가 치열하게 경쟁하는 양상을 보이고 있으나, 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리 역시 배터리 산업에서 빼놓을 수 없을 것 입니다. 필자 역시 배터리 산업에서 전고체 배터리는 Game Changer의 역할을 할 것이라고 생각하고 있습니다.

 

전고체 배터리

 

액체 전해질을 사용하는 기존의 리튬이온배터리는 화재 위험, 용량 감소, 충전 속도 저하 등의 문제점을 가지고 있습니다. 반면 전고체 배터리는 고체 전해질의 특성상 화재 위험 감소, 용량과 출력 향상, 충전 시간의 단축의 장점을 가지고 있으며 이외에도 액체 전해질에 비해 고체 전해질의 공간 효율이 높아 배터리의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다. 

 

- 고체 전해질의 종류에 따른 분류 : 산화물계, 황화물계, 고분자계 전고체 배터리

 

- 비교 :

산화물계는 리튬이온 전도도가 높고 대기 안정성이 좋으나, 기계적 강도가 낮아 셀 조립 시 균열이 발생할 수 있다는 약점을 가지고 있습니다.

황화물계는 리튬이온 전도도가 매우 높고 기계적 강도도 좋으나, 대기와 접촉하면 산화되어 성능이 저하되는 약점을 가지고 있습니다.

고분자계는 유연하고 가공하기 쉽다는 장점을 가지나, 리튬이온 전도도가 낮다는 약점을 가지고 있습니다.

 

- 국내 배터리 3사의 전고체 배터리 연구 방향

 

삼성SDI : 황화물계 전고체 배터리 연구 / 강점 : 무음극 기술 세계 최초 개발 

SK온 : 고분자-산화물 복합계, 황화물계 전고체 배터리 동시 연구 / 강점 : 리튬 이온 전도도, 대기 안전성 확보

LG에너지솔루션 : 고분자계, 황화물계 전고체 배터리 상용화 계획 

 

- 전고체 배터리의 미래 시장

전고체 배터리의 성장 가능성, 미래 시장의 규모는 매우 클 것으로 예상합니다. SNE리서치는 전고체 배터리 생산이 2025년 1GWh, 2030년 149GWh, 2035년 950GWh까지 폭발적으로 성장할 것으로 전망했습니다. 특히, 전기차는 배터리의 용량과 안전성에 크게 의존하기 때문에, 전고체 배터리의 적용은 전기차의 성능과 경쟁력을 높일 수 있을 것입니다.