반복 과정을 통한 산업의 성장
전지는 일상생활에서 사용되는 스마트폰부터 노트북, 자동차, 전동공구 까지 다양한 제품에 사용되고 있다.
이처럼 일상에서 배터리 사용이 자연스러운 이유는 지난 100년 이상에 걸쳐 무한한 실험과 발견에 따른 결과물이라 볼 수 있다.
현재 IT 제품들에 적용되고 있는 전지는 대부분 2차전지이다.
사용 이후 폐기해야 하는 1차전지 보다 여러 번 충전해 사용할 수 있는 2차전지가 친환경적이고 경제적이기 때문이다.
휴대폰 배터리의 수명 횟수는 약 500회 수준이며 수명이 다 되었어도 80% 수준의 잔량이 있기 때문에 사용 문제는 없다.
다만 2차전지의 완충전 용량이 초기 대비 80% 수준까지만 충전이 되면 수명이 다 된 것으로 정의된다.
하지만 스마트폰 애플리케이션의 고성능화와 전기차, ESS를 위한 고출력, 고용량 배터리 수요가 증가하고 있어 배터리 수명 문제에 대한 해결이 요구되고 있다.
과거에도 이러한 문제발생 및 해결 과정이 있었으며 2차전지 산업은 1)기술발전, 2)시장형성, 3)기업경쟁, 4)제품개발을 반복했다.
앞으로 2차전지 시장은 과거와 같은 4가지 과정을 통해 발전해 나갈 것으로 예상된다.
전지 개발 역사
전지의 역사는 약 2,000년이 넘었다.
세계에서 가장 오래된 전지는 ’바그다드 전지’로 1932년 독일인 빌헬름 쾨니히가 바그다드 근처의 하우주 라부에서 유적발굴 작업중에 발견하였다.
바그다드 전지는 기원전 약 250년에 만들어진 것으로 추정되며 높이 약 14cm, 직경 약 8cm로 작은 항아리 형태로 구성되어 있다.
안의 구조를 살펴보면 구리판이 양극역할, 철봉이 음극역할, 포도 주스나 식초 같은 산성 물질이 전해질 역할을 하여 전압을 발생시켰다.
다만 전지의 본격적인 연구개발의 시작은 우연한 동물실험으로부터 시작되었다.
1786년 루이지 갈바니는 개구리 해부실험 중 개구리 다리가 금속과 닿았을 때 근육이 수축한 것을 목격했다.
그는 동물전기를 주장하였으며 동물의 뇌에서 전기가 만들어져 신경을 통해 근육으로 흘러간다고 설명했다.
하지만 1791년 볼타는 전기의 기원이 동물생명 현상이 아닌 물질에서 찾아야 한다는 생각을 갖고 실험을 시작한다.
1800년 볼타는 ‘열전기더미’를 고안해 처음으로 화학작용에 의한 전류를 만들었다.
당시 볼타 전지는 마찰이 아닌 화학적 방법으로 전기를 발생시킴으로써 전기화학이라는 새로운 학문분야를 탄생시켰다고 평가받고 있다.
현재 우리가 일상생활에서 사용하는 다양한 형태의 전지 구성도 볼타전지의 기반으로 만들어졌다고 볼 수 있으며 두 가지의 큰 특징을 갖고 있다.
첫번째로는 서로 다른 물질이 양극과 음극으로 작용하고 있고, 다른 하나는 전해액을 갖고 있다는 점이다.
2차전지의 시작은 1859년 프랑스의 물리학자 가스톤 플랑테가 납축전지를 발명하게 되면서 역사가 시작된다.
이전까지의 전지는 비가역적인 상태로 화학적 반응이 모두 끝나면 폐기해야하는 1차전지였다.
하지만 플랑테의 납축전지는 가역적이어서 외부에서 전류를 공급하면 다시 원상상태가 될 수 있어 충전과 방전이 반복 가능했다.
납축전지는 용량대비 무게가 많이 나가는 단점이 있지만 가격이 저렴하고 많은 전기를 뽑아낼 수 있어 현재 자동차 배터리에 많이 사용된다.
2차전지가 발명된 이후, 약 20년간 미국과 유럽간의 2차 전지 개발 경쟁이 치열하게 일어나게 된다.
1899년 스웨덴의 융너는 니카드 전지라고 부르는 니켈-카드뮴(NiCd) 전지를 개발했다.
이후, 유럽의 대표 배터리 업체인 Varta와 SAFT가 니켈카드뮴 전지를 점차 사업화하면서 배터리 시장의 주력전지가 된다.
미국의 경우 1901년 발명왕 에디슨이 양극에 수산화니켈, 음극에 철, 전해액에 수산화칼륨 수용액을 이용해 니켈-철(Ni-Fe)전지를 개발한다.
납축전지보다 가볍고 내용기간이 길다는 장점이 있으며 오늘날에는 철 대신 카드뮴을 사용한 제품들이 있다.
당시 에디슨이 개발한 전지가 포드 자동차에 도입될 만큼 전기차는 대중화 되어 있었다.
1900년도 미국에서 생산된 4,000여대 자동차 중 28%가 전기동력의 자동차였으며 1910년까지 최대 3만여대의 전기동력의 자동차가 미국 전역을 달렸다.
당시 최고 속력은 32km로 준수한 편이었다.
하지만 전기차 시장 확대로는 배터리의 무게, 장기 충전 시간, 높은 가격 때문에 더이상 성장할 수 없었다.
또한 1920년대 미국의 원유가 대량 생산되고 컨베이너 벨트를 활용한 핸리포드의 가솔린 모델T가 대량 생산되면서 전기차 수요는 점차 사라졌다.
하지만 이런 문제점들은 리튬이라는 물질을 활용한 배터리가 개발되면서 점차 해결해 나가고 있다.
리튬전지, 두 갈래의 길
리튬은 원자번호 3번 원소로 금속 중에서 가장 가볍고 고체 원소중에서 밀도가 가장 낮다.
또한 전기화학적으로도 가장 높은 전압을 낼 수 있으며, 배터리 소재로 사용시 메모리 효과가 없는 장점이 있다.
하지만 온도에 민감하고 반응성이 너무 커 폭발위험성이 굉장히 높다.
1960년 리튬을 이용한 전지를 미국 항공우주국 NASA에서 개발했다.
이후 1970년대 초반 리튬을 음극으로 사용하는 1차 전지가 발명되었고, 1975년 산요가 리튬-망간 산화물을 이용해 1차전지를 개발하였다.
하지만 에너지 밀도 제약과 안정성 문제해결이 어려워 대중화 시킬수는 없었다.
이후, 리튬배터리는 2차전지 개발 및 상용화를 위해 수많은 노력과 연구를 시켜 안정화 되어진다.
1980년대 차세대 전지 개발 주요국가는 캐나다로 실력있는 과학자와 기술자들이 모여 Moli Energy라는 기업을 설립한다.
당시 대중화 되었던 2차전지는 니카드 전지로 1.2V 전압이었다.
그러나 1988년 Moli Energy는 금속 리튬을 음극으로 사용하면서 MOLICEL이라는 3V급 2차전지를 개발해 상용화시킨다.
리튬을 2차전지의 음극으로 사용하려면 해결해야 할 2가지 문제가 있다.
첫 번째 문제는 리튬 금속이 전해액과 반응해 산화와 환원 반응이 원활하게 되지 못했다.
Moli Energy는 LiAsF6 리튬염을 활용한 전해액을 개발해 이온전도도를 높이고 발화 가능성을 낮췄다.
리튬 금속의 두 번째 문제는 충방전이 반복되면 리튬금속 표면이 거칠어지고 돌출구조(Dentrite)가 만들어져 폭발 위험성이 올라간다.
다만 돌출구조는 고출력 충방전 시에 일어날 가능성이 높기 때문에 전류를 일정 이상 흘리지 않으면 문제점을 막을 수 있다.
Moli Energy는 고출력 방전을 제한시키면서 문제점을 해결한다.
점차 다가오는 리튬배터리의 한계
2차전지 연금술사 (1) - 전지의 개발 과정 (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/157
2차전지 연금술사 (2) - 전지 세대의 진화 (양극재, 음극재) (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/158
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2차전지 연금술사 (4) - 차세대 배터리 개발 동향 (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/160
2차전지 연금술사 (5) - 2019년 2차전지 시장 전망 및 투자전략 (IBK투자증권) : https://investory123.tistory.com/161
리포트 원문 link : http://hkconsensus.hankyung.com/apps.analysis/analysis.downpdf?report_idx=504176
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