경제성을 위한 양극재와 음극재의 변화들
현재 사용되고 있는 리튬이온전지는 2세대로 전기차, ESS 등 중대형 제품에 본격적으로 납품되기 시작했다.
2세대 음극재는 1세대와 같이 흑연이 사용된다.
양극재는 LCO에서 가격이 낮은 NCM으로 대체했다.
에너지 밀도는 450~550Wh/L까지 상승해 약 300Km까지 주행거리가 가능해졌다.
3세대 리튬이온배터리는 2021년 이후부터 가능할 것으로 예상된다.
특히, 소재가격 상승은 전기차의 가격 상승으로 이어지기 때문에 시장 성장에 악영향을 미친다.
따라서 에너지당 가격이 낮은 소재를 점차 사용하는 방향이다.
3세대 배터리의 양극재는 값비싼 코발트 비중을 줄이고 니켈 비중을 최대 88%까지 높일 예정이다.
음극재는 흑연에 실리콘계 물질을 첨가해 에너지 밀도를 올리는 계획이다.
만약 NCM 811계에 실리콘이 첨가된 흑연을 사용할 경우 3세대 배터리 주행거리는 최대 500Km까지 가능할 전망이다.
2025년 배터리는 전지설계와 소재품질 변화로 인한 에너지 밀도 증가폭이 제한될 것으로 예상된다.
양극재 NCM의 경우 니켈90%, 코발트5%, 망간5% 비중이 예상된다.
코발트 비중을 5%이하로 낮추지 못하는 이유는 안정성 문제가 발생하기 때문이다.
음극재의 경우 실리콘 비중을 높일 수 있는 여지가 많지만 기술적 진보가 뚜렷하지 않기때문에 아직 많은 연구가 필요해 보인다.
분리막은 용량에 기여하지 않는 불활성물질로 큰 변화가 없을 것으로 예상된다.
전해질은 새로운 물질에 대한 연구가 활발히 진행 중이나 아직 안정성이 부족해 2세대부터 3.5세대까지는 비슷한 제품이 사용될 것으로 예상된다
양극재 개발 트랜드
양극재는 구성하는 재료에 따라 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP 으로 6가지 종류가 있다.
국내 배터리 셀 업체들은 주로 LCO, NCM, NCA를 채택하고 있고 이에 사용되는 대표적인 소재로는 코발트, 니켈, 망간이 있다.
하지만 최근 코발트 가격이 점차 상승하면서 양극재의 구성 비율을 바꾸고 있는 추세이다.
가장 오랫동안 사용된 양극재는 LCO이며 리튬이온 전지가 시작될 때부터 사용된 만큼 합성 난이도가 낮고 안정적이다.
그러나 LCO는 코발트가 다른 양극재보다 비율이 높기 때문에 가격에 대한 부담이 있다.
가격은 Kg당 27달러로 코발트 비중이 낮은 NCM, NCA대비 약 30% 비싸다.
2017년부터 코발트 가격이 상승하면서 LCO 사용에 대한 가격 부담이 증가하고 있다.
코발트 가격이 Kg당 15달러일때는 NCM과 LCO의 양극재 비용 차이는 약 2배가 난다.
하지만 코발트 가격이 3배 이상 상승할 경우 NCM과 LCO의 비용 괴리가 약 5배 이상나면서 배터리셀 원가는 급격하게 높아진다.
따라서 대부분 국내 양극재 업체들은 LCO보다는 NCM의 생산시설을 늘리는 중이고 배터리 셀 업체들도 NCM이 적용된 배터리셀 비중을 높이고 있다.
코발트 가격이 높은 이유는 매장지역이 집중되어 있고 광업권 및 아동 노동 논란 등 정치적인 이슈도 많기 때문이다.
최근 새로운 코발트 광산에서 채굴이 시작되고 있지만 아직까지 코발트 공급이 원활하지 않고 중국 수요도 불안정하기 때문에 당분간 코발트 가격의 변동성은 높을 것으로 예상된다.
배터리 업체들은 가격 변동성을 줄이기 위해 코발트 비중을 최대 5%까지 감소시킬 계획이다.
다만, 코발트 비중이 5% 미만으로 되면 배터리 출력이 낮고 충방전 싸이클이 낮아지면서 배터리의 활용가치가 낮아진다.
심지어 배터리 개발 업체들은 코발트를 사용하지 않는 양극재를 개발하고 있다.
그러나 코발트 이온은 다른 물질에 비해 전자 배치가 독특하기 때문에 이온 크기가 작고 안정된 층상 구조를 유지할 수 있다.
당분간 프리 코발트 배터리가 상용될 가능성은 낮아 보인다.
결국 코발트를 사용 하면서 배터리 가격을 낮출 수 있는 방법은 니켈의 함유량을 늘리는 것이다.
니켈의 비중을 높이면 에너지 밀도가 높아져 전기차의 주행거리가 높아진다.
하지만 NCM 양극재에 니켈 함량이 높아지면 안정성에 대한 문제가 발생한다.
양극재에 니켈 함유량이 많아지면 충방전시 입자의 균열이 많아진다.
입자의 균열은 양극재의 구조가 깨지면서 나타나는 현상으로 에너지 밀도가 급격하게 떨어지며 심할 경우 가스가 발생해서 폭발 가능성이 굉장히 높아진다.
배터리 업체들은 입자 균열이 깨지는 것을 방지하기 위해 도판트 물질을 개발중이다.
NCM은 2차원 입자로 만들어져 있다.
하지만 도판트 물질을 투입하면 NCM의 구조가 3차원 레이어 구조로 만들어 지면서 양극재의 부피 팽창 반응을 억제시켜 준다.
하이니켈 문제점을 방지할 수 있는 다른 방식으로는 코팅이 있다.
하이니켈 양극재의 충방전 횟수가 증가하게 되면 전해액과 반응하게 되면서 배터리 부피가 팽창된다.
하지만 양극재 표면에 코팅을 하면 전해질과의 반응을 억제시킬 수 있어 에너지 밀도를 하락을 막아줄 수 있다.
음극재 개발 계획
음극재는 양극재 대비 재료비에서 차지하는 비중이 낮다.
1990년대 산요가 음극재에 흑연을 도입한 이후 음극활 물질의 큰 변동은 없었다.
흑연 이외에 금속계나 코크스를 원료로 한 카본 물질이 개발 되었으나 에너지당 비용이 비싸고 수명 문제가 있어 크게 상용화 되지는 못했다.
현재 2차전지에 사용되는 흑연은 크게 천연흑연과 인조흑연으로 나뉘어 진다.
천연흑연은 가격이 저렴하여 가성비가 뛰어나다.
하지만 싸이클, 저장량, 에너지밀도가 인조흑연대비 떨어진다.
인조흑연의 경우 고에너지 밀도화가 가능하지만 충방전시 스웰링 현상이 있어 지속력이 약하다.
현재는 천연흑연과 인조흑연을 혼합된 믹스제품이 사용되는 추세이다.
음극재의 밀도를 높이기 위한 방법으로 무기물계 활물질인 Si, Ge, Sn, Sb가 연구되고 있다.
그 중에서도 Si계 음극활물질은 상온에서 리튬이온과 반응할 경우 에너지 밀도를 최대 3,800mAh까지 증가시킬 수 있어 다른 물질 대비 연구가 가장 활발하다.
실리콘을 음극재에 적용하기 위해서는 실리콘 입자의 크랙상태를 방지하기 위해 나노 크기로 만들어 줘야 한다.
실리콘 음극활물질인 SiO와 SiC는 10나노 이상의 작은 크기를 적용시켜야하며 나노사이즈가 작아질수록 재충전시 용량이 감소하고 생산비용이 증가하게 된다.
현재 실리콘을 사용할 수 있는 최선의 방법은 기존 흑연 제품에 나노 사이즈의 실리콘을 배합하여 에너지 밀도를 높이는 방법이다.
다만 배터리 세대가 진화될 수록 비용부분이 중요시 되고 있다.
Si계 음극재 제품은 에너지당 가격이 17~24달러로 기존 흑연의 4~12달러 대비 2배 이상 비싸기 때문에 가격을 절반 이상 낮춰야 상용화가 될 수 있다.
실리콘이 음극재에 사용되기 위해서는 3가지 문제를 해결해야 한다.
첫번째 문제는 실리콘의 부피 팽창이다.
실리콘은 흑연대비 약 10배 이상의 용량을 구현해 낼 수 있지만 충방전시 약 400%이상의 부피변화가 발생하여 실리콘 파티클의 크랙이 발생하게 된다.
음극재 업체들은 실리콘을 나노화시켜 부피 팽창을 억제시키고 있지만 원가가 올라가기 때문에 배터리 가격상승 요인이 된다.
두번째 문제는 충방전이 반복될수록 실리콘과 그라파이트 사이의 도전패스가 끊어지면서 박리 현상이 나타난다.
이에 대한 해결 방법으로는 음극재와 활물질의 분리현상을 억제시키기 위한 바인더, CNT, Graphene 물질이 개발중이다.
세번째 문제는 음극재 충전시 SEI Layer가 굳어지는 단점이 있다.
흑연의 경우 부피 변화가 작아 SEI Layer의 문제가 없지만 실리콘과 합성될 경우 부피가 SEI Layer을 파괴할 정도의 크기가 되기 때문에 리튬을 소모시키고 가스가 발생하게 된다.
파괴된 SEI Layer은 점차 굳어지고 리튬의 산화 환원 반응을 제한시켜 배터리 수명을 단축시키는 문제가 일어난다.
이를 해결하기 위해서 실리콘 표면처리 및 새로운 전해질을 개발하고 있다.
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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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