전기차 배터리 이차전지(二次電池, secondary cell)

이차 전지 (二次電池, secondary cell)

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.

 

 

2차 전지는 외부 전원으로 공급받은 전류가 양극과 음극 사이에서 물질의 산화, 환원 반응을 일으키는 과정에서 생성된 전기를 충전하는 방식으로, 반영구적 사용이 가능한 전지를 말한다. 이는 분리막, 양극재, 음극재, 전해질 등 4대 핵심소재로 구성된다.

 

한번 쓰고 버리는 1차 전지(primary battery, 일반 건전지)가 재사용이 불가능하고 전지의 수거나 재활용에 드는 비용이 많다는 단점이 있는 반면, 2차 전지는 여러 번 충전을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 2차 전지는 노트북 컴퓨터와 휴대전화, 캠코더 등 들고 다니는 전자기기뿐만 아니라 전기자동차의 핵심소재로서 부가가치가 높아 반도체 및 디스플레이와 함께 1세기 3대 전자부품으로 꼽힌다. 전기자동차 시장의 성장과 같이 중대형 에너지 저장용 2차 전지 시장의 향후 규모가 더 확대될 것으로 전망된다.

2차 전지의 종류

2차 전지는 충전물질을 무엇을 쓰느냐에 따라 니켈전지, 이온 전지, 리튬이온 전지, 폴리머 전지, 리튬폴리머 전지, 리튬 설파 전지, 등으로 구분된다. 1980년대 니켈카드뮴 전지와 니켈수소전지의 등장에 이어 1990년대 리튬계 2차 전지가 등장하였고, 2000년대 이후에는 리튬폴리머 전지가 도입되면서 2차 전지의 새로운 시대를 열었다.

 

리튬이온 전지는 현재 자동차 전지 시장의 대부분을 차지하고 있고 양극과 음극 사이에 유기 전해질을 넣어 충전과 방전을 반복하게 하는 특징을 가지고 있다. 이는 무게가 가벼운 데다 고용량의 전지를 만드는데 유리하여 휴대전화기 등에 많이 사용되고 있다.

 

리튬폴리머 전지는 리튬이온 전지에서 한 단계 발전한 전지로, 양극과 음극 사이에 고체나 겔 형태의 폴리머 재료로 된 전해질을 사용해 전기를 발생시킨다. 이는 모양을 다양하게 할 수 있고 현재까지 개발된 2차 전지 중 가장 얇은 전지를 만들 수 있다는 장점이 있다.

국내 2차 전지 생산 기업은 LG화학, 삼성 SDI, SK이노베이션 이 있다.

 

LG화학(051910) 시총 43조4,143억원.

LG 그룹의 계열사로 국내 대표 화학기업이며 사업 분야는 석유화학, 전지, 첨단소재, 생명과학이다. 주력 사업은 전기자동차용 전지와 첨단소재다. 1999년 국내 최초로 2차 전지 상업화에 성공한 후 글로벌 전기자동차 배터리 시장에서 점유율 1위(2019년) 기업이다.

 

테슬라 CEO 머스크는 배터리 데이 행사 전에 자신의 트위터에 LG화학과 파나소닉 CATL 등 협력사에서 배터리 구매물량을 줄이지 않고 늘리겠다고 말했다. 그 이유로는 중국과 유럽의 전기차 판매가 급증하기 때문이다. 또 "우리 스스로 행동에 나서지 않을 경우에는 배터리 공급업체에서 2022년 이후에는 중대한 물량 부족이 예상된다"며 자체적 인배 터리 개발 의지를 나타냈다.

 

삼성SDI(006400) 시총 28조3,998억

동사는 소형전지, 중ㆍ대형전지 등을 생산. 판매하는 에너지솔루션 사업부문과 반도체 및 디스플레이 소재 등을 생산.판매하는 전자재료 사업부문을 영위함.  시장 점유율은 소형전지 19%, EMC 8% 등으로 추산됨.  에너지솔루션 부문 원부재료 일본 업체 의존도를 낮추는 것이 핵심 과제임. 

코스모신소재(005070) 시총 4,080억.
2차 전지용 양극 활물질, 토너, 토너용 자성체 등을 제조 판매하는 사업을 영위하고 있음. 삼성전기, 삼성 SDI 등의 메이저 브랜드들이  최대 매출처임.

 

후성(093370) 시총 8,548억.

불소를 기반으로 한 기초 화합물을 전문적으로 제조, 판매하는 업체. 사업부문은 냉매가스분야, 2차 전지분야, 불화 물분야, CDM 분야로 분류되는 불소화합물 사업 등이 있음. 

이아이디(093230) 시총 1,439억.

동사는 2차 전지 제조공정 중 소성로에 대하여 세계적으로 사실상 독점력을 가지고 있는  회사에서 기술력을 인정받음.

 

일진머트리얼즈(020150) 시총 18,928억.

동사는 스마트폰, 텔레비전 등 모든 IT 전자제품과 리튬이온 2차 전지용 음극집전체에  사용되는 일렉포일의 제조 및 판매 목적으로 1987년 8월 11일 설립됨. 

 

에코프로비엠(247540) 시총 26,883억

주식회사 에코프로의2차 전지 소재 사업부문이 물적 분할되어 신설됨. 2013년 하이 니켈계 양극 활물질 중심으로 사업 재편을 한 이후부터 NCA 분야에서 시장점유율을 꾸준히 높이고 있음. 테슬라 사의 EV용 배터리 소재로 납품하고 있는 스미토모에 뒤이어 세계 2위의 시장점유율을 확보 중임. 

나라엠앤디(051490) 시총 1,484억.

동사는 전기자동차 Battery Pack/ESS사출부품은 우수한 금형 기술력을 바탕으로  국내 및 중국, 폴란드의 글로벌 생산 인프라를 구축하고 글로벌 OEM사의 고객을 확보하고 있음. 

현재 2차 전지 관련 기업은 코스피에 20여 개 코스닥에 51여 개의 기업이 상장되어 있다.

 

리튬이온 배터리의 문제점.

충전 중 화재로 전소되는 등 화재의 문제점이 완전 해결이 되지 않고 있으며 원인 규명이 확실치 않아 빠른 시일 내에 해결되어야 한다.

운행거리 또한 한번 충전으로 얼마나 많이 주행할 수 있는지도 개선해야 할 일이지만 최근 삼성전자 종합기술원 공동연구팀에서 한번 충전으로 서울-부산 왕복거리보다 긴 1000km를 달릴 수 있는 전기차 전지 기술이 개발됐다고 한다.

UNIST와 삼성전자 종합기술원 공동연구팀은 차세대 전지로 주목받고 있는 리튬공기 전지 내부의 유기물질을 세라믹 소재로 바꿔 그동안 상용화의 난제로 지적돼 온 전지 수명 저하 문제를 해결했다고 15일 밝혔다.
리튬공기 전지는 현재 각종 전자 기기와 전기차에 쓰이는 리튬이온 전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

또 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온 전지보다 경량화도 훨씬 유리하다. 가볍고 오래 달리는 차세대 경량 전기차 전지로 각광받는 이유다.
다만, 전지 작동과정에서 발생하는 활성산소 때문에 전지 수명이 떨어지는 고질적인 문제점을 안고 있었는데, 연구진이 해결 방법을 찾아냈다고 한다. 연구진은 전지 내부의 유기물질을 고성능 세라믹 소재로 대체했다. 이후 기존에는 10회 미만이었던 충·방전 수명이 100회 이상으로 크게 개선됐다. 전지 수명이 획기적으로 향상됐다.

제1저자인 삼성전자 종합기술원 마상복 전문연구원은 “차세대 전지로 주목받는 리튬공기 전지의 상용화를 앞당길 수 있는 원천 소재 기술을 개발했다는 데 큰 의미가 있다.”라고 설명했다.
또 고체 형태인 세라믹 소재가 우수한 이온 전도성과 전자 전도성을 동시에 갖췄다는 점도 주목받고 있다. 일반적으로 세라믹 물질은 이온전도성만 높지만 이번에 개발된 물질은 전자 전도성 또한 뛰어나다. 이 때문에 전지의 다양한 구성 부품에 쓰일 수 있다고 발표했다.