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■ 산업/2차전지

[2차전지] 이차전지의 현황 및 돌파구

* 본 글은 2018-06-18에 작성 되었습니다. 



앞으로 이차전지는 전기차, 전기자전거, 로봇청소기, 전동공구 등과 같이 우리 생활에 밀접하게 연관되어 사용량이 꾸준히 상승할 것이라 예상한다. 

또한, ‘신재생에너지 3020’의 정책에 따라 원전 사용량을 줄이고, 이차전지를 활용하여 환경 정책에 힘을 가할 것이다.

 

문제점

그러나 가장 큰 문제점은 이러한 이차전지를 구성하는데 있어 중요한 소재인 ‘코발트’의 가격이다.


코발트의 1통 가격은 지난해 초 2만 달러(약 2천 300만원)에서 올해 초 8만 달러(약 8천 900만원)로 약 4배가 증가했다.

이는 늘어나는 수요에 비해 공급량이 턱없이 부족하기 때문이다. 코발트의 3분의 2 가량이 콩고민주공화국에서 생산되는데, 콩고 정부는 이러한 사실을 악용해 코발트를 국유화하려고 시도 중이기 때문이다. 또 다른 생산지는 중국인데, 중국은 코발트와 같은 희토류(전세계 90%의 희토류가 중국에서 생산)의 수출에 제한을 가해 공급이 불안정적으로 되고 있다.

이미 코발트는 시장 가격에 영향을 미치고 있으며, SNE리서치에 따르면 이차전지의 가격이 상승세를 이루고 있다고 발표했다.

 


한국은 리튬, 코발트 자급률이 0%로 원재료 조달 유무에 대한 문제가 일어날 수 있다.


이미 외국언론에서는 삼성SDI의 코발트 물량 부족으로 중장기적 전망이 밝지 않다는 평가를 했으며, 테슬라 역시 코발트 공급 부족으로 전기차 ‘모델3’ 양산 목표에 발목이 잡혔다 밝혔다. 테슬라의 전기차 배터리 독점 공급사인 일본 파나소닉이 최근 코발트를 전혀 사용하지 않는 배터리 기술 개발을 시작한 점을 보아 코발트 공급 부족의 심각성을 말해주고 있다.

블룸버그는 2020년 초반부터 전세계 배터리업체들이 지금보다 더 심각한 코발트 부족 현상을 겪게 될 것이라 말했다.

 

 

해결방안

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 국내 3대 전지업체 모두 코발트의 비중을 줄이고, 동시에 니켈의 비중을 높여 에너지 밀도를 높이는 전략을 채택했다.

 


삼성SDI는 일본 이차전지업체가 주로 사용하는 니켈, 코발트, 알루미늄(NCA)을 활용한 중대형 이차전지 양산을 연구 중이다. NCA는 이미 과거 일본에서 니켈의 비중이 80%를 차지하는 것이 일반적이지만, 안정성을 확보하는 것이 어려워 소량의 양극재가 들어가는 소형 전지에 사용됐다. 테슬라의 전기차에 들어가는 파나소닉의 원통형 전지도 NCA전지에 속한다.

삼성SDI는 이를 중대형 전지로 만들어 코발트의 비중을 10% 내외로 줄이는 동시에, 에너지 밀도를 높일 계획으로 2021년을 양산 시점으로 밝혔다.

 


LG화학니켈, 코발트, 망간, 알루미늄(NCMA)로 구성된 전지를 만든다. 2022년 양산을 목표로 니켈의 비중을 90%로 끌어 올리고 코발트의 비중을 10% 미만으로 줄이겠다 발표했다. 이를 완성하기 전, 니켈의 함량이 70%인 NCM(7:1:2)전지를 우선 개발해 2-3년 내 양산할 계획이라 밝혔다.

- 왜 망간? 이진혁(미국 MIT 재료공학과 연구원)과 게브란드 시더(UC버클리 교수)의 말에 따르면, 망간은 코발트나 니켈에 비해 가격은 절반이고 매장량도 풍부하다. 하지만 망간은 만들 수 있는 전자 개수가 한정되어, 전자를 방출하거나 저장하는 능력이 떨어지는 단점으로 전지 용량을 늘리는게 쉽지 않았다. 그러나 이번에 망간에 불소를 넣으면 방출할 수 있는 전자 개수가 늘어난다는 점을 발견하여, 상대적으로 저렴하면서 용량이 더 커진 이차전지 개발에 성공했다. 이 기술을 통해 2천~3천만에 달하는 전지 가격을 500만원으로 낮출 수 있다고 밝혔다.

 


SK이노베이션은 지난해 8월 세계 최초 중대형 NCM(8:1:1)전지를 양산한다고 발표했다. 삼성SDI와 LG화학 역시 이 비율의 양극재를 개발했지만, 안정성 확보를 위해 원통형 전지에 적용하는 데 그쳤다. 이 전지는 올해 기아자동차에서 출시하는 니로의 전기차에 탑재되는 것으로 알려졌다. (+180702 전기차용 NCM811 양산 성공. LG화학은 현재 NCM622 양산 중, 2년 안으로 NCM712 목표)

SK이노베이션은 이 기술을 통해 최대 1L당 670Wh의 에너지 밀도를 구현한다고 밝혔으며, 현재 600Wh수준의 전기차에 비해 높은 에너지 밀도를 구현하고 있다.

 

 

그러나 한편으로는 코발트의 비중을 줄이는 것은 배터리의 안전성을 해칠 수도 있기 때문에 매우 위험성이 큰 시도라고 말하는 곳도 있다.

지난 12일 코발트 생산량이 급증하여 가격이 떨어지면서 안정화가 되었다는 뉴스가 났지만, 필자는 항상 코발트의 가격 상승을 염두해야 한다고 생각한다.

 

 

또 다른 돌파구 – 차세대 전지

리튬이온전지의 소재 가격 급등으로 이를 대체할 차세대 전지가 나올 것이라는 의견도 분분하다.

 

1. 나트륨(Na)

나트륨은 리튬과 비슷한 화학적 특징을 가지면서도, 소금의 주성분이다 보니 리튬보다 100배는 저렴하다. 하지만, 나트륨은 에너지 저장 밀도가 낮기 때문에 배터리의 충/방전 효율이 상대적으로 떨어진다. 이를 보완하기 위해 꾸준히 연구 개발 중이지만, 아직 리튬이온배터리를 넘어 서진 못할 것이라 판단된다.

 

2. 그래핀(Graphene)

나트륨만큼이나 주목받고 있는 소재이다. 그래핀은 흑연으로 연필심에 사용되며, 전자 이동성이 빠르고 열전도성이 뛰어나 강도도 높아 미래의 신소재로 떠올랐다.

특히 최근 삼성전자가 발표한 배터리 소재인 ‘그래핀 볼’은 기존 리튬이온배터리의 성능을 압도하는 것으로 알려져 전세계 에너지 업계에서 관심을 보이고 있다. 충전용량을 45%나 향상시키면서도 충전 속도도 5배 이상 빠르게 올릴 수 있는 것으로 드러났다. 그래핀 배터리는 전기차에서도 활발하게 적용되고 있다.

 

3. 전고체(All Solid)

필자가 가장 주력하게 보고 있는 차세대 전지이다.


전고체 전지는 말그대로 양극재, 음극재, 전해질 모두 고체의 상태다. 

고체라서 온도 변화와 외부 충격에 대한 위험성이 적어 안정성이 대폭 강화됐다. 또한, 전기차에 쓰일 경우 고용량화를 통해 같은 용적에 2-3배의 주행거리를 이뤄 낼 수 있다. 이 외에도, 용량/부피/형태 등이 비교적 자유로워 플렉서블 배터리로도 구현 가능해 다양한 곳에서 활용 가능 할 것이라 보고 있다.

                                                                                                        [출처: KTB투자증권]


Toyota는 2021년 전고체전지 생산을 목표로 현재 개발 중이며, Bosh, Dyson, VW 등 글로벌 업체 역시 대부분 2020년 전후 생산을 목표로 하고 있다. 삼성SDI와 LG화학 역시 전고체전지 상용화를 위해 연구 개발을 추진하고 있다.


대부분의 기술이 상당 부분 이루어졌으나, 배터리의 용량이나 성능이 리튬이온전지에 비해 부족하여 아직 상용화 단계에 이르지 못한 상태이다. 그러나 이 기술을 개발 한다면, 경쟁사간의 기술 격차를 벌려 시장을 선점할 수 있다는 것을 확신한다.

 

 

 

[참조 및 출처]

- ZDNet Korea, http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp?artice_id=20180306173420

- 비즈니스포스트, http://businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=85460

- 매경, http://news.mk.co.kr/newsRead.php?year=2018&no=242765

- 메트로신문, http://www.metroseoul.co.kr/news/newsview?newscd=2018061700042

- 뉴스 비전, http://www.nvp.co.kr/news/articleView.html?idxno=123188

- KTB투자증권