이차전지는 전기자동차 외에도 ESS, 스마트폰, 인공위성, 태양광 전지 등 충방전이 필요한 다양한 분야에서 광범위하게 활용되며, 리튬이온 배터리 외에도 다양한 차세대 배터리가 존재한다. 이번 호에서는 이에 대해 알아보자.

□ 리튬이온 배터리

- 개념 : 가장 많이 보급된 이차전지로서 리튬이온을 활용하여 충전·방전하는 배터리

ㅇ (원리) 셀 내부의 리튬 전해질에 전기가 가해지면, 리튬이온과 전자로 분해되며, 리튬이온과 전자는 음극판에 저장되면서 축전. 전기를 사용할 때는 리튬이온은 전해질, 전자는 도선을 통해 다시 양극판으로 이동하면서 전류 발생

ㅇ (구성) 양극 : 리튬이온 배터리의 용량과 전압을 결정 / 음극 : 전자를 도선으로 내보냄 / 전해액 : 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동 통로 / 분리막 : 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할

- 종류 : 리튬이온배터리는 양극재의 소재에 따라 삼원계 배터리와 인산철 배터리로 구분

ㅇ (삼원계) 양극재에 3가지 원소가 들어가는 배터리로서, 니켈·코발트·망간을 사용한 NCM, 망간 대신 알루미늄을 사용한 NCA가 있음

    * 니켈 함량은 배터리의 축전 용량을 결정하며, 코발트, 망간은 안정성, 알루미늄은 배터리의 출력을 결정. 최근 하이니켈이 각광

    ** NCMA : 기존의 NCM에 알루미늄까지 추가하여 출력을 향상. LG에너지솔루션과 SK온이 NCMA 배터리 공급 추진 중

• (인산철) 리튬인산철 배터리는 양극재로 철을 사용하기 때문에 생산단가가 낮으나, 삼원계에 비해 무겁고, 에너지 밀도가 낮다는 단점이 존재

    * 최근 배터리팩의 패키징 기술이 향상되면서 CTP(Cell to Pack : 모듈 없이 셀 단계에서 바로 패키징하는 기술)을 이용하여 에너지 밀도를 향상시키는 중

- 리튬 전고체 배터리 : 전해질이 액체가 아닌 고체상태의 배터리로서, 에너지 밀도가 높고 충전시간이 빠르며, 안정성이 높아 차세대 리튬이온 배터리로 각광

리튬이온 배터리 전고체 배터리

    * 전고체 배터리는 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만들기 때문에 항상 고정돼 있어 구멍이 뚫려도 폭발하지 않고 정상작동

- 개발 현황 : 국내 전지 3사는 최첨단 제품 생산과 기술·공정의 혁신이 이루어지는 마더팩토리*를 국내에 구축

    * 마더팩토리(mother factory) : 제품 개발과 제조의 중심이 되는 공장. 높은 품질의 제품을 연구·개발하여 부가 가치를 향상

ㅇ (삼성SDI) 전고체 배터리 파일럿 라인을 마련하고, 시제품 생산 및 대형 셀 생산 기술을 개발(2027년 양산예정.)

ㅇ (LG에너지솔루션) 고분자계와 황화물계 동시개발예정. 고분자계 배터리 26년 양산 후 27년 황화물계배터리 상용화 예정.

ㅇ (SK온) 전고체 배터리 벤처기업 美솔리드파워社와 황화물계 전고체 배터리 개발중. 25년 시제품을 개발, 29년 양산 돌입 목표.

□ 바나듐 배터리

- 개념 : 액체 바나듐을 전해액으로 사용하는 배터리로서, 리튬이온배터리에 비해 안정성이 높음

- 종류 : 바나듐 배터리는 바나듐 레독스 흐름 배터리와 바나듐 이온 배터리로 구분됨

ㅇ 바나듐 레독스 흐름 배터리(VRFB) : 리튬이온 배터리와 달리, 활물질(바나듐 이온)이 전해액에 녹아있으며 바나듐 전해액이 산화 또는 환원되면서 충·방전이 되는 원리로 작동

    * 리튬이온 배터리에 비해 안정성, 수명, 설계 자유도가 높아 ESS 사업에서 각광 받으나, 생산단가가 매우 높다는 단점 有

ㅇ 바나듐 이온 배터리(VIB) : 바나듐 레독스 흐름 배터리와 리튬이온 배터리의 장점을 살려서 만든 새로운 배터리

    * 바나듐이온 배터리는 8천번 이상 충방전 반복이 가능하며 전해액으로 물을 사용하여 불이 붙지않아 폭발 위험이 0%에 가까우나, 리튬이온 배터리에 비해 부피가 크기 때문에 주로 ESS에 사용될 전망

□ 나트륨이온 배터리

- 개념 : 리튬이온 배터리에서 리튬을 나트륨으로 대체하여 전체적인 효율성을 향상시킨 배터리

ㅇ (원리) 나트륨이온 배터리는 양극, 격막, 액체전해질, 음극로 구성되어 있으며 충·방전 원리는 리튬 이온 배터리와 유사

ㅇ (특징) 가격이 비싸고, 매장량이 한정적인 리튬 대신, 가장 흔한 원소 중 하나인 나트륨을 활물질로 사용하기 때문에 가격 경쟁력이 뛰어나고, 온도 변화에 민감하지 않다는 장점이 있으나, 에너지 밀도가 삼원계 배터리의 약 70%에 불과

    * 다만, 리튬이온 배터리와 양극, 음극, 기판, 전해질 소재가 모두 달라 완전히 별도의 공급망을 새로 구축해야 한다는 문제 有

- 개발 현황 : 70년대부터 개발 노력을 지속해왔으며, 최근 리튬 가격·매장량 문제가 불거지면서 다시금 관심

ㅇ 19년 6월, KAIST 신소재공학과에서 황화구리를 음극재료로 사용해 용량과 수명이 늘어난 나트륨이온 배터리를 개발함

ㅇ 中CATL社는 21년 7월 나트륨 이온 배터리를 출시, 23년 하반기 나트륨 배터리를 자동차에 납품하겠다고 발표

ㅇ 나트륨이온 배터리는 앞으로도, 에너지 밀도의 중요성이 낮 은 ESS나 저가형 전기차에서의 수요가 높아질 전망

작성: 산업공급망정책과, 이선우 전문관 기고