2차전지 차세대 전고체배터리2(#5-2. 2차전지)

순서(전고체배터리 2편)
3. 해결해야 할 과제?
   1) 덴드라이트(Dendrite)
   2) 기술적 문제
   3) 비용
4. 한국 배터리 3사
   1) 삼성 SDI
   2) LG에너지 솔루션
   3) SK온
5. 2차 전지의 근본적인 한계
   1) 폐배터리 처리문제
   2) 2차 전지는 생산된 전기를 충전을 통해 담는 그릇에 불과
 
(6. 전고체 배터리에서 달라질 부분 은 추후 수정버전으로 추가할 수도 있습니다.)
 
전고체배터리 1편 참고: https://fast-turtle26.tistory.com/48

(수정1.0)2차 전지 차세대 전고체배터리1(ft.이수스페셜티케미컬)(#.5 2차전지)

순서(전고체 배터리 1편)
0. Intro.
1. 전고체 배터리는 무엇?
  1) 2차 전지 기본구성
  2) 2차 전지 충전과 전기생산
  3) 2차 전지 충전용량에 중요한 부분
  4) 전고체 배터리는 무엇이 다른가?
  5) 고체 전해질 종류?(수정 시 추가) 
 
2. 왜 전고체 배터리로 가려고 하는가?
  1) 높은 1회 충전량
  2) 안정성
  3) 충전시간과 충전가능 횟수
 
 

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3. 해결해야 할 과제?
전고체배터리는 기존 리튬이온 2차 전지에서 사용되는 액체 전해질을 고체로 바꾸게 된 차세대 배터리입니다. 장점들은 분명 안정성, 같은 부피대비 높은 에너지밀도, 대체적으로 빠른 충전속도 등이 있습니다.
 
그렇지만 기업들이 해결해야만 하는 어려운 문제들은 다음과 같습니다.

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1) 덴드라이트(Dendrite)
 

덴드라이트 (출처 : LG에너지솔루션 블로그)

리튬이온이 충전을 하면서 양극에서 음극으로 이동하는데 이때 음극재 표면에 닿으면 막을 형성하고 계속 쌓여가게 됩니다. 그리고 그 막이 자라며 나무가 자라거나 눈꽃송이가 자라는 것처럼 자라게 되는 현상을 말합니다.
 
이로 인해 기존 전해액을 사용하는 배터리는 분리막이 파괴되고 성능이 저하될 수 있습니다. 전고체 배터리에서는 고체 전해질 사이로까지 자라 이온의 이동이 원활하지 않거나 조금씩 파괴할 수 있습니다.
 
그래서 기업이나 연구소들에서는 이를 해결하기 위해, 첨가제를 넣거나 음극재를 얇은 막으로 씌운다거나 특정한 응력을 가해 덴드라이트를 파괴하는 등 다양한 방향으로 지속적인 연구들이 진행 중입니다. 또한, 어느 정도 해결된 부분도 있어 저희가 리튬이온 2차 전지를 사용하고 있긴 합니다.
 
이 덴드라이트 문제는 기존 배터리뿐 아니라 리튬황이나 지금 논의하고 있는 전고체배터리, 리튬금속 음극재 활용 등 다양한 종류들에서 근본적으로 막을 수 있는 방법을 알아내는 것이 굉장히 중요한 문제입니다.
 

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2) 기술적 문제

리튬이온과 전고체배터리 구조(출처 : 삼성SDI)

 

•  접촉면적

전해질이 액체라면 어떤가요? 빈 공간을 다 채워서 접촉면적을 최대한 가져갈 수 있겠죠?
 
하지만, 액체가 아니라 고체라면 어떤 이미지가 머릿속에 떠오르시나요? 위 이미지 참고.
 
고체와 고체 사이를 어떻게 최대한 밀착시켜 접촉 면적을 최대화로 만들 수 있는지가 중요해지게 됩니다. 배터리 내 빈공간, 즉, 접촉되지 않은 부분들은 저항으로 작용한다고 알려져 있습니다. 이를 업계에선 계면저항이라고 부릅니다.
 
이를 어떻게 극복하는지 중요한 문제입니다.
 

• 상온에서 이온전도도

전해질이 액체인 경우 온도가 영하로 떨어지면 아무래도 액체 내 분자활동이나 이온이동이 원활해지지 않습니다. 이것이 겨울철에 전기차들의 성능이 10% 이상 떨어지는 주요 원인입니다.
 
고체 전해질은 반대로 상온 15~ 25도 사이에서는 이온전도도가 낮아지는 특성을 갖고 있다고 합니다. 따라서, 기술적으로 이를 어떻게 해결할지도 중요한 문제입니다.
 

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3) 비용
기술적으로는 아무나 쉽게 전고체배터리를 생산할 수 없긴 하지만, 상위 시장 플레이어들은 기술적인 문제들은 대부분 극복을 했거나 해결하는 과정으로 볼 수 있습니다.
 
사실상 가장 큰 걸림돌은 현재로서는 가격문제입니다.
 
배터리 셀업체들이 궁극적으로 가고자 하는 방향이 황화물계 고체 전해질인데, 황화물계 혼합물이 상대적 높은 가격을 갖고 있습니다.
 

1. 황화물계 전해질을 만드는 것이 정교한 화학적 합성 과정을 거쳐야만 합니다. 그러면서 배터리에서 요하는 높은 이온전도도, 높은 안정성, 장기간 사용가능해야 하는 등 여러 요건들을 갖추어야만 합니다. 기술적으로 제법 난이도가 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 과정에서 많은 특허들이 얽히고설켜 있을 것입니다.

현재는 황화물계 전해질을 생산가능한 업체가 거의 없습니다. 이점이 이수스페셜티케미컬이 생각보다 강한 상승을 보였었나 봅니다. 확실히 주시해야 할 종목이란 점이 공부할수록 드러나는 것 같습니다.

2. 황화물계를 생산하는 업체들이 상대적으로 적어 아직 대량생산이 이루어지고 있지 않습니다. 즉, 소량생산으로 아직까지 규모의 경제가 달성되지 않았고 이제 막 상용화를 시작하는 시점이라 앞으로 일정 시간이 소요될 것으로 예상은 됩니다. 

 
실제 배터리로 만들어졌을 때 가격은 2021년 한국 3원계 배터리 같은 용량 대비 7배, LFP배터리 대비는 약 10배에 달한다고 합니다.(SNE리서치) 
 
2023년 6월 현재까지 전고체배터리를 생산하는 기업이 거의 없고, 양산한 기업은 일본의 1개 기업에 불과해 확실한 가격 비교는 어렵지만 기존 배터리 대비 4배 정도의 가격으로 낮춰진 것으로 추정합니다.
 
LFP배터리가 낮은 에너지밀도와 현재 전기차에 장착되는 배터리 양 정도에서 보통 100kg 이상의 무게가 더 나가는 등 많은 단점이 존재함에도 LFP의 시장 침투율이 압도적인 부분에는 낮은 가격이 절대 요인 일 것입니다. 사실 이것이 대중화, 대세로 자리 잡는 시장 원리이기도 합니다.
 

언제인가는 규모의 경제를 달성하고 상당한 시장을 차지할 날이 올 수도 있겠지만, 그동안 시장에 침투시키기 위해서는 생산 능력을 높이기 위해 상당한 돈의 투자는 필수적으로 보입니다.

또한, 의미 있는 점유율을 보일 때까지 (2030년 이후 추정) 공급업체들이 적자를 감수하고 기술누적의 길을 택할지도 지켜볼 문제입니다.

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4. 한국 배터리 3사는?
전고체 배터리 양산을 본격적으로 시작한 나라는 일본입니다. 특허 수 역시 전 세계 전고체배터리 관련 특허 상위 5개 중 4개가 일본 기업들로 알려져 있습니다. 이는 도요타, 파나소닉 등이 순위에 올리고 있습니다.
 

물론, 특허가 많다고 무조건 핵심 기술을 갖거나 원천 기술을 갖고 있는지는 알 수 없지만, 후발주자들 입장에선 피해서 기술개발을 하거나 로열티를 지불해야 할 수도 있습니다.

 
일본의 배터리 업체 막셀(maxell)이 2023년 4월부터 소량이지만 본격적인 전고체배터리를 양산하기 시작했습니다. 2030년까지의 목표 역시 3,000억 원대를 목표로 할 정도의 파괴력을 갖거나 위협적이지는 않습니다. 그럼에도 세계 태초양산으로 시선이 몰리고 양산과정에서 발생하는 수율이나 많은 문제들을 먼저해결하며 앞서 갈 수 있는 위치를 선점했다고는 볼 수 있습니다.
 
참고로 일본의 리서치 업체인 후이게이자이에 따르면 2035년에 전고체배터리 시장규모를 약 15조 원 정도로 예상하고 있습니다.
 
이에 한국에선 이전에도 언급을 했었지만, 가장 적극적이고 기술개발이 빠른 회사는 삼성 SDI입니다. 다음으로는 LG에너지 솔루션, 뒤를 이어 SK온입니다.
 

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1) 삼성 SDI
2023년 황화물계 전고체 배터리 양산을 위한 파일럿 공장을 완공하고 하반기 테스트를 들어갈 것으로 알려져 있습니다. 정확히 전고체 전해질을 공급하는 업체가 이수스페셜티케미컬일지 포스코와 정관 JK 합작사일지는 알려지지 않았습니다.
 
혹은 양사의 모두 받아 테스트를 할 수도 있나 싶습니다.
 
다음 일정으로는 2025년 앞으로 2년 뒤 전고체 배터리를 소량 양산을 시작할 계획을 잡고 있습니다. 이후 2027년 본격적인 양산을 할 것으로 계획 잡혀 있습니다.
 
이를 위해 독일의 BMW그룹과 협력해 진행하지 않을까 예상됩니다.
 
초기 전고체 배터리는 기존 배터리 대비 높은 출력, 1회 충전 시 이동가능 거리가 한국 기준 800~ 900km에 달하는 등 높은 성능에 비해 높은 가격이 문제가 됩니다. BMW는 프리미엄 브랜드로 차량 가격을 높게 책정해 배터리 가격을 소비자에게 전가할 수 있는 브랜드 파워를 지니고 있습니다.
 
이러한 양사의 이해관계가 잘 맞아떨어지지 않을까 예상합니다.
 

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2) LG에너지 솔루션
전 세계 총체적인 높은 배터리 기술력은 LG에너지 솔루션이 아닐까 합니다. 정부로부터 초기에 적극적인 지원을 받아서 성장하고 가장 큰 내수 시장을 가지고 있는 중국을 제외한다면, 생산능력에서도 단연 LG에너지 솔루션이 가장 우위에 있을 것입니다.
 
그럼에도 차세대 배터리 분야 중 하나인 전고체 배터리의 궁극적인 도달점인 황화물계에선 삼성 SDI에 2~3년 이상의 양산 기술력에선 뒤처져 있지 않나 싶습니다.
 
경영에서 선택과 집중으로 인해 그런 것이 아닌가는 싶습니다.
 

중국의 배터리 업체들이 상대적으로 후발주자로 기존 기술이 아닌 다른 기술을 택하거나, LFP와 같은 특허만료가 된 기술을 택해 시장에 자리 잡았습니다. 정부의 지원, 내수 경기 등은 말할 것도 없죠.

그럼에도, 총체적으로 중국기업과 견주어 생산능력과 기술력 등의 총체적인 부분에서 경쟁 가능한 기업은 LG에너지 솔루션 뿐일 것입니다. 

즉, 그만큼 선두 업체로서 기술과 시장의 변화에 뒤처지지 않기 위해 다양한 배터리 계열을 동시에 투자하고 개발해야만 하는 입장이 큰 차이 일 것입니다.

 
LG에너지 솔루션의 전고체 배터리 시장의 1차적 대응은 황화물계 전해질이 아닌 폴리머를 사용하는 것입니다. 성능, 안정성 등 기술적인 문제만 해결한다면 기존 배터리 생산라인에서 생산이 가능하다고 알려져 있습니다.
 
이를 2026년에 본격 양산을 시작하고, 황화물계 전해질은 2030년에 양산을 목표로 하고 있습니다.

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3) SK온
이전 언급한 다른 한국 배터리 업체들에 비해 후발주자입니다. 몇 년 전 LG엔솔이 LG화학으로 분할 전에 연구진들을 스카우트해 빠르게 배터리 기술력을 확보한 것으로 알려져 있습니다. 이에 당연히 소송을 하며 공방을 주고받다 결국 SK이노베이션이 2조 원을 물어 주는 쪽으로 합의를 했었습니다.
 
최근 몇 년간 공격적인 공장을 확장하며 시장 점유율에서 삼성 SDI를 넘어서기 시작한 것으로도 보입니다.
 
후발주자로 유럽과 미국 등에 생산공장을 추가로 짓고 동시에 미래 기술확보에 적극적으로 대응해야 합니다. 따라서, 협업을 늘리고 있습니다.
 
미국의 솔리드파워와 전고체 배터리를 공동개발하고, 권위 있는 연구자들과 연구 협업을 추진하는 등 아직은 기술력 확보에 전력을 다하는 것으로 보입니다.
 
2030년 황화물계 전고체 배터리 양산을 계획하고 있습니다.
 

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5. 2차 전지의 근본적인 한계
전 세계가 기존 자동차에서 전기차로 대전환을 시작한 이유는 당연히 기후변화 때문일 것입니다.
 
그리고 그 기반이 2차 전지로 선택된 이유는 관련된 많은 기술들이 성숙하게 되었거나 빠르게 인프라를 구축하고 확대하는데 다른 대안들에 비해 용이했기 때문입니다.
 
액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 2차 전지 배터리이거나 전고체 배터리 이거나 목표를 달성하는 부분에서 근본적인 한계는 존재합니다.
 
여러 요소가 있겠지만, 개인적으로 크게는 2가지가 떠 오릅니다.

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1) 폐배터리 처리문제
전 세계적으로 이미 확산되기 시작한 전기차에서 4~5년 뒤부터 본격적으로 쏟아져 나오게 될 폐배터리를 어떻게 할 것이지 문제입니다. 이는 쓰레기문제와 누출된 희귀 금속이나 전해액 등에서 땅과 지하수로 흘러들어 환경문제를 동시에 유발할 수 있기 때문입니다.
 
지금도 한 번씩 이슈를 받으며 상승하고는 합니다. 폐배터리 처리 업체들이요.
 
앞으로는 더 큰 가치를 받을 가능성이 있는데, 경쟁 역시 치열해질 것으로 예상되어 옥석을 잘 가린다면 큰 투자 수익이 발생할 수 있는 잠재력 있는 요소라고 판단됩니다.

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2) 2차 전지는 생산된 전기를 충전을 통해 담는 그릇에 불과
이 문제는 시장 침투율이 낮은 상태에서는 상대적으로 덜 문제가 발생하겠지만 한국에만 수백만대가 넘어 천만 대까지 돌파된다면 많은 추가적인 문제를 발생시킬 여지도 존재합니다.
 
예를 들어, 아파트 단지에 대다수가 전기차라면 이를 충전할 충전시설도 많아야만 하지만 이는 추가적으로 주차공간 문제나 충전 다된 차량을 빼지 않음으로 사회적 문제 등이 발생할 수도 있습니다.
 
뿐만 아니라, 더 큰 문제는 동시에 수십 수백 대가 충전할 경우 전력문제가 대두될 수 있습니다. 인근지역의 정전사태를 불러일으킬 수도 있고, 이를 해결하기 위해 ESS 등 추가적인 비용과 공간, 또한 ESS로 담을 수 있는 한계 등으로 충전 차량들을 잘 분산시키는 등의 관리도 큰 이슈가 될 가능성이 있습니다.
 
따라서, 현재의 2차 전지는 분명 대세이자 큰 시장임에는 틀림없지만, 2030년 전후부터는 수소연료 전지로 상당 부분 분산될 것으로 개인적으로는 판단합니다.
 
많은 이슈와 요소가 있겠지만, 이 2요소가 시간이 되는 대로 별도 정리를 할 계획을 가진 분야들이기도 합니다.
폐배터리 처리, 수소연료전지.
 
역시 큰 관심을 가져야 할 분야들입니다.