전기자동차와 이차전지

전기자동차 시장 동향과 이차전지

이차전지는 충전이 가능한 배터리로서 양극과 음극 사이의 산화 환원 반응으로 작동한다. 즉, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 반대로 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하는 장치이다. 전기자동차에 사용되는 이차전지는 주로 리튬 이온 전지(Li-ion)와 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다. 이들은 고에너지 밀도, 고출력 밀도, 긴 수명, 안정성 등의 장점을 가지고 있다. 

 

전기자동차용 이차전지의 시장은 전기자동차 수요의 증가와 함께 급성장하고 있다. 2020년에는 221Gwh의 배터리가 출하되었으며, 2030년에는 3,670Gwh에 이를 것으로 예상되고 있다. 유럽은 탄소 중립을 달성하기 위해 전기자동차 보급을 적극적으로 지원하고 있으며, EU는 2035년까지 내연기관 신차 판매를 금지하는 계획을 발표했다. 또한 유럽 각국은 전기자동차 구매 보조금을 지속적으로 확대하는 등 전기자동차 정책 산업에 힘을 주고 있다. 이로 인해 유럽 전기자동차 시장의 점유율은 2020년에 43.9%로 확인되었으며 점유율은 빠르게 올라갈 것으로 보고 있다. 

 

전기자동차용 이차전지의 기술 개발은 전기자동차의 주요 성능인 주행거리, 수명, 충전 속도 등을 향상시키지 위해 진행되고 있다. 이를 위해 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등의 4대 소재 기술이 고도화되고 있으며, 완성차 제조사들의 전기자동차 플랫폼 구축에 따른 완성차별 독자적인 기술표준이 강화되고 있다. 

 

이차전지 핵심소재

양극재

이차전지의 양극재는 리튬이온배터리의 핵심 소재로, 배터리의 용량과 전압을 결정하는 역할을 한다. 양극재는 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등의 금속과 산소로 이루어진 화합물로 구성되며, 구조별로 층상, 스피넬, 올리빈 등으로 분류된다. 양극재의 종류에 따라 배터리의 성능과 안정성, 가격 등이 달라지기 때문에 소재 개발과 연구가 계속 이루어지고 있다. 

 

현재 이전지에 가장 많이 사용되는 화학 성분은 주로 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NCM), 리튬 철 인산염(LFP)이다. 이중 니켈 코발트 망간 등 세 가지 물질을 섞어서 양극재를 만들면 삼원계 배터리라 하고, 리튬 인산 철을 사용하여 양극재를 만들면 LFP 배터리로 불린다. 니켈의 함량을 높여 에너지 밀도를 향상시키고, 코발트의 함량을 낮춰 원가를 절감하고자 하는 하이(high) 니켈 양극재가 주목받고 있으며, 포스코케미칼, LG 화학, SK이노베이션, 삼성 SDI 등 각 기업이 하이 니켈 배터리 개발에 주력하고 있다. 

 

양극재의 개발 방향은 고용량화, 긴 수명화, 높은 안전성으로 요약할 수 있다. 배터리의 주행거리를 늘리기 위한 목적인 고용량화는 니켈의 함량을 더 높이거나 신소재를 개발하는 방식으로 진행되고 있다. 배터리의 수명 연장을 위한 방향성은 양극재와 전해질 사이의 부착력을 강화하거나 표면 코팅 등을 통해 효율을 극대화하기 위해 연구되고 있다. 안전 사고를 예방하기 위해 코발트나 알루미늄 등의 안정성을 높이는 원소를 첨가하거나 전체적인 구조를 개선하는 방향으로 개발이 진행되고 있다. 

 

음극재

이차전지의 음극재는 배터리의 용량, 수명, 충전속도를 결정하는 중요한 소재로 양극에서 나온 리튬이온을 저장하고 방출하면서 전기를 흘려주는 역할을 한다. 

 

(1) 흑연: 가장 널리 사용되는 음극재로 탄소로 이루어진 겹겹이 쌓인 층 사이에 리튬이온이 들어가는 구조이다. 흑연은 천연흑연과 인조흑연으로 나뉘는데, 인조흑연은 고온에서 만들어져 내부구조가 균일하고 안정적이다. 국내 포스코케미칼이 인조흑연을 생산하고 있으며, 1만 6천 톤 규모로 50kWh 기준 전기차 약 36만 대에 공급할 수 있는 양이다. 

 

음극재의 생산과정은 (출처: 포스코케미 뉴스룸)

-. 먼저 포스코에서 코크스 제조 시 발생하는 콜타르를 피엠씨텍에 공급한다.

-. 포스코케미칼 자회사 피엠씨텍(PMCTECH)에서 콜타르를 가공해서 인조흑연의 원료인 침상코크스(Needle Coke)로 만든다.

-. 침상코크스는 분쇄(Pulverization), 조립(Granulation), 흑연화(Graphitization) 과정을 거쳐 인조흑연이 된다.

-. 인조흑연을 3,000℃ 이상의 고온에서 가열하면 전기자동차용 배터리에 사용되는 인조흑연 음극재가 완성된다.

 

이차전지 (출처: 포스코케미칼 뉴스룸)

 

(2) 리튬메탈: 이론적으로 가장 용량이 높은 음극재로 리튬 원자 자체가 음극으로 사용된다. 리튬메탈은 리튬이온보다 더 많은 전기를 발생시킬 수 있어서 전기자동차의 주행거리를 크게 늘릴 수 있다. 하지만 리튬메탈은 충방전 과정에서 불안정한 성질을 보여서 폭발 위험이 있으며, 분리막을 파괴하는 가시형태의 리튬덴드라이트가 생성되어 배터리 수명을 단축시키는 단점이 있다. 이러한 문제가 해결된다면 전고체 배터리와 함께 차세대 배터리로 주목받을 전망이다. 

 

(3) 실리콘: 흑연보다 용량이 높은 음극재로 최근에 가장 주목받고 있는 소재이다. 리튬이온을 많이 담을 수 있어서 전기자동차의 주행거리를 늘릴 수 있지만 충방전에 따라 부피가 크게 팽창하고 수축하면서 음극의 구조가 무너지고, 전해액과 반응하여 배터리 안전성에 영향을 주는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 현재는 흑연과 일정 비율로 섞어서 사용하고 있다. 

 

분리막

양극과 음극 사이에 놓여서 두 극의 접촉을 막아주는 역할을 한다. 분리막은 리튬이온을 통화시킬 수 있는 미세한 구멍을 가지고 있으며, 전자의 흐름은 막아준다. 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 고분자 소재로 만들어지며, 고온에도 안정하고 기계적 강도가 높아야 한다. 아직 상용화 단계는 도달하지 못하였으나 미다공성 분리막의 개발 및 연구가 진행 중이다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 Diluent를 압출 상분리법으로 제조하여 기공 크기를 10nm 이하로 조절할 수 있는 분리막이다. 기존 분리막보다 열안정성이 높아 고온에서도 변형되지 않으며, 기공도가 높아 리튬이온의 이동 저항이 낮고 전해액과의 친화성이 좋아 배터리 성능을 향상시킬 것으로 알려졌다. 또한 Diluent의 종류와 함량에 따라 기공 특성을 다양하게 조절할 수 있어서 다양한 배터리 시스템에 적용이 가능하다고 한다. 

 

전해질

리튬이온의 이동 매개체이며 양극과 음극 사이에서 리튬이온을 운반해 주는 역할을 한다. 전해질은 일반적으로 유기 용매에 리튬염을 용해시켜 만든다. 전해질은 높은 이온 전도도와 넓은 사용 온도 범위를 가지고 있어야 하며 가연성이나 독성이 낮아야 안전하다. 현재 상용화된 이차전지의 대부분은 액체 전해질을 사용하고 있으나, 액체 전해질은 고온에서 발화하거나 폭발할 위험이 있으며, 사용 온도 범위가 제한적이라는 단점이 있다. 따라서, 차세대 이차전지의 전해질로는 고체 전해질이 주목받고 있다. 

 

고체 전해질은 액체 전해질에 비해 높은 안전성과 넓은 작동 온도 범위를 가지고 있다. 또한, 리튬 금속 음극과의 호환성이 좋다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 고체 전해질 전지가 주목받고는 있으나 아직 해결해야 할 문제들을 가지고 있다. 이러한 문제점을 개선하고 보다 높은 효율과 안정성을 위해 연구되고 있는 분야이다. 세계적으로 고체 전해질 이차전지의 개발 경쟁이 치열한데, 삼성 SDI가 1회 충전으로 주행거리 800km, 1000회 이상 충전이 가능한 고체 전해질 전지를 개발해 국제 학술지 '네이처 에너지'에 연구 결과를 공개했으며, 2027년 상용화를 목표로 하고 있다. 또한, 산업통상자원부 주도로 1회 충전으로 600km 주행이 가능한 전고체 배터리 제조 기술을 2028년까지 확보하고 상용화를 위한 실증 작업도 진행할 예정이다.