* N은 니켈, C는 코발트, M은 망간으로 뒤의 숫자는 각 금속의 비율을 말한다. 9055는 니켈90%, 코발트 5%, 망간 5%)
▶ 이렇게 에너지 밀도가 계속해서 향상되어왔지만 여전히 화석 연료와는 비교할 수 없이 낮은 수준이다. 에너지 밀도가 가장 높은 디젤을 100으로 할 때 리튬이온전지는 7~8% 수준이다.
▶ 배터리 출력 밀도는 단위 시간 당 뽑아낼 수 있는 에너지의 양을 말한다. 그런데 전기차에서 에너지 밀도와 출력 밀도는 서로 음의 상관관계를 가진다. 도전재 등으로 보완하긴 하지만 출력밀도를 높이기 위해서는 에너지밀도의 희생을 감수해야한다.
배터리 소재와 가격
▶ 배터리 가격은 수요 확대에 따라 2010년부터 2019년까지 1/8 수준으로 낮아졌다. 그러나 현재 원자재 가격의 상승으로 2021년부터 배터리 가격이 상승하는 추세.
▶ 배터리 생산워가에서 소재가 차지하는 비중이 약 63%. 이 중 양극 활물질이 52%, 음극 활물질 14%, 분리막 16%, 전해액 8%.
▶ 양극재 4대 원료(코발트, 니켈, 알루미늄, 망간) 모두 급격한 가격 상승 일어남.
▶ SK온은 스위스 글렌코어와 25년까지 코발트 구매 계약. 에코프로비엠과 10조원 규모 양극재 공급 계약
LG엔솔은 중국 그레이트 파워에 지분 투자(350억, 4.8%), 호주 오스트레일리안 마인스와 니켈, 코발트 장기구매 계약(2024~2030)
배터리 화재와 안전성
▶ 배터리 화재가 큰 우려가 되고 있다. 분리막 손상에 따른 단락(양극과 음극이 내부에서 접촉) 또는 BMS의 냉각시스템과 각종 제어장치의 오류에 의해 배터리 온도가 상승함에 따라 전해액의 분해에 의한 폭발이 화재의 원인으로 지목되었다.
▶ 리튬이온전지에서는 리튬염을 녹일 수 있는 가연성 유기용매를 전해액으로 사용하기 때문에 화재에 취약.
▶ 셀 내부 온도가 장기간 60 ℃를 상회하면 음극 표면의 얇은 고체막층(SEI층)부터 분해 시작, 100 ℃ 넘어가면 전해액과 음극간에 부반응 일어남, 130 ℃ 이르면 분리막 녹아내림(→ 셀 내부 단락 발생), 200 ℃ 이르면 전해액 분해 시작됨(→ 불화수소(HF) 발생), 300 ℃ 이르면 전해약과 양극 간의 부반응 일어남(→ 산소 분압 발생).
▶ 2차전지 화재가 일어났을 때 물을 뿌려 진화하는데 엄청나게 시간이 걸리고 많은 물이 소모됨(2021년 테슬라 모델S 사고 현장에서 화재 진압에 7시간 걸렸는데 이때 사용한 물의 양이 소방서 전체가 한달 쓰는 양, 미국 가정 2년치 물 사용양이었다 함).
안전하고 저렴한 리튬인산철(LFP)전지
▶ 리튬인산철(LFP, LiFePO4) 전지는 앞서 언급된 니켈코발트망간 전지보다 항속거리는 짧지만 저렴하고 안전한 편.
▶ LFP도 발화 및 폭발사고 일어나긴 하지만 NCM 전지가 약 200 ℃에서 연쇄적 반응이 일어나는데 비해 LFP 전지는 500 ℃에 도달해도 비교적 안정적으로 유지된다고 한다.
▶ LFP 배터리 점유율은 중국 시장에서 39%까지 증가. LFP 채택한 상하이GM의 홍구앙 미니EV가 중국 전기차 1위
▶ 테슬라, 폭스바겐, 포드, 메르세데스 벤츠 등 일부모델에 적용. 현대차도 BYD의 블레이드 배터리(LFP) 채택
▶ LFP는 NCM이나 NCA(니켈 코발트 알루미늄) 대비 20% 정도 저렴.
전고체전지 기술 전쟁
▶ 일본 도요타가 2010년 황화물 고체 전해질 사용한 배터리 시제품 공개.
▶ 고체 전해질 소재는 황화물, 산화물, 고분자로 나눠지는데 황화물 고체전해질 소재가 가장 앞서 있다. 이온전도도가 높고 전극과의 계면밀착특성이 우수. 단점은 수분에 민감하게 반응해 유해가스인 황화수소(H2S) 발생.
▶ 산화물은 딱딱한 재질 특성 때문에 음극, 양극과의 물리적 접촉 부재에 따른 성능열화 문제.
▶ 고분자 기반 소재는 소재 범위가 넓어 유망해 보이나 이온 이동도가 황화물 대비 1/10 정도이고 고온에서 기계적 강도가 다른 재료보다 약하다다.
▶ 전고체전지는 이론적으로 500Wh/kg의 에너지 밀도 구현이 가능함. 기존 리튬이온전지의 거의 2배.
▶ 삼성전자 종합기술원에서 2020년 3월 '석출형 리튬음극'을 적용해서 수명과 안전성을 높인 전고체전지 기술 발표. 음극 두께를 거의 없다시피 얇게 만들어 에너지 밀도를 대폭 올린 것이 기술의 핵심. 1회 충전으로 800km 주행, 재충전 1000회 이상 가능.
▶ 미국의 퀀텀스케이프(폭스바겐이 투자)는 2020년 12월 15분 이내에 80% 충전할 수 있는 전고체전지 실험결과 발표.
▶ 대만의 프롤로지움은 2021년 8월 전고체전지 개발했다고 발표.
▶ 도요다는 2020 도쿄 오토쇼에 전고체전지를 탑재한 모델 선보이겠다고 했으나 미실현.
▶ 미국의 SES(Solid Energy System)이 2021년 11월 제1회 SES 배터리 월드라는 온라인 이벤트에서 아폴로라는 리튬메탈전지 공개. 솔벤트 인 솔트 전해질을 쓰고 리튬이온전지와 전고체 전지의 중간 형태이며, 107Ah, 에너지 밀도는 417Wh/kg, 고속 충전 가능. 리튬메탈 기반 전고체전지 업체 중 상용화 측면에서 가장 앞서 있는 듯.
▶ 현대차그룹은 2018년 미국의 아이오닉 머티리얼즈와 솔리드파워에 투자, 2021년 미국 팩토리얼에너지와 전고체전지 개발 제휴, SES에도 투자. 2021년 서울대와 공동으로 배터리 연구센터 설립.
글로벌 배터리-완성차 관계
배터리-완성차 협력 관계