리튬이온 배터리로 알아보는 2차전지 관련주 (전고체 배터리는 꿈인가)

배터리는 전기차의 부품 중 가장 중요한 부분이자, 전기차 대중화의 성패를 가늠할 요인이다. 다행인 것은 한국 배터리 기업들의 기술력이 세계적인 수준에 위치한다는 것이다. 이는 자동차 산업의 패러다임 변곡점에서 쉽게 투자 기회를 찾을 수 있다는 것을 의미한다.

 

 

 

2차전지 = 리튬이온 배터리

2차전지란 쉽게 말하면 충전해서 계속 사용할 수 있는 배터리를 말한다. 즉, 1차전지와는 달리 충전과 방전이 이루어진다는 것이다. 이는 리튬이온 배터리가 개발되면서 가능해지기 시작했는데, 현재 우리가 실생활에서 사용하는 대부분의 충전 가능한 배터리가 리튬이온 배터리라고 보면 된다. 우리가 흔히 전기차의 2차전지라고 말하는 것이 바로 리튬이온 배터리이다.

 

리튬이온 배터리는 어떻게 생겼나

리튬이온 배터리는 외형에 따라 원통형, 각형, 라미네이트형 등으로 나뉜다. 각제품들은 대부분 용도에 따라 출시할 때부터 전자제품 안에 내장되어 있다. 전기차의 경우 대부분 각형 배터리를 팩으로 만들어 주문생산된다. 각형은 두께가 얇으며, 가벼운 알루미늄을 소재로 생산된다. 대부분 철 용기를 쓰는 원통형에 비해서 전기차에 사용하기 유리하다. 국내 대표적인 완성 배터리 셀 기업은 삼성SDI, SK이노베이션과 LG에너지솔루션이 있다.

 

 

 

리튬이온 배터리의 구성 요소와 작동 원리(전해질, 분리막, 음극재, 양극재)

리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 전해질, 분리막, 음극재, 양극재이다. 배터리가 방전이 일어나는 동안 음극재에 있는 리튬이온이 나오면서 전자를 전해액으로 방출한다. 반대로 음극이 전해액에 있는 리튬이온을 흡수하면서 충전이 된다. 이때 양극에서는 이와 반대 반응이 일어난다. 쉽게 말하면 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 충전과 방전이 계속해서 일어나는 것이다.

▶ 전해질

리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있는 것은 전해액이 있기 때문이다. 전해액은 리튬이온을 운반하는 역할을 한다. 리튬이온 전지는 층간 삽입을 기본원리로 삼는데 바로 이 전해질 개발이 리튬이온 배터리의 실용화의 성공 요인이었다. 전해질의 가장 큰 단점은 가연성이다. 현재 기술 발전으로 인화점이 낮아지기는 했지만, 완벽하게 안정성이 인정된 것은 아니다. 대표적인 기업으로 천보와 솔브레인이 있다.

 

 

 

▶ 분리막

분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 한다. 분리막의 미세한 구멍으로 리튬이온만 양극과 음극을 이동하게 되는 것이다. 분리막은 안전을 위해 열 안정성이 요구되며, 대부분 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)으로 만들어진다. 관련 기업으로는 SK아이테크놀로지와 피엔티가 있다.

▶ 음극재

음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장하거나 방출하여 전류가 흐르게 하는 역할을 한다. 음극 화물질로 쓰이는 재료는 대부분 흑연이다. 흑연은 층간 삽입 반응에 아주 적합한 재료이다. 그러나 저장과 방출이 지속되는 과정에서 흑연의 구조가 변화한다. 이는 저장할 수 있는 이온의 양을 줄어들게 하고, 이로 인해 배터리의 수명이 감소한다. 대표적인 기업으로는 포스코케미칼과 대주전자재료가 있다.

 

 

 

▶ 양극재

양극재는 리튬이온 배터리에서 리튬이 들어가는 공간을 말한다. 양극재는 배터리의 용량과 전압에 관련된 소재이며, 전기차의 주행거리 및 성능을 결정하는 요인이다. 따라서 배터리 구조에서 가장 중요한 물질이며, 우리가 가장 열심히 공부해야 할 부분이기도 하다.

 

양극재 물질은 크게 리튬코발트산화물, 리튬망간산화물, 리튬인산철, 삼원계, 니켈계가 있다. 리튬코발트산화물을 제외하고 모두 차량용으로 사용이 가능하다. 그러나 성능이 우세한 삼원계(NMC)와 니켈계(NCA)가 현재 전기차 배터리 생산에 가장 많이 사용된다.

 

삼원계는 니켈/망간/코발트와 리튬으로 이루어진 양극을 말한다. 니켈계도 사실상 삼원계에 속하지만, 통상적으로 삼원계는 NMC(니켈/망간/코발트)를 말한다. 삼원계는 리튬인산철에 비해 에너지 밀도가 높고, 사이클 수명이 더 길다는 장점이 있다. 니켈계는 니켈/코발트/알루미늄으로 구성된 양극이다. 결정 구조를 안정화하기 위해 니켈의 일정 부분을 코발트로 대체하였고, 열에 대한 내구성을 강화하기 위해 알루미늄을 첨가한 것이다. NCA는 NMC와 비교해 보면 실용량은 비슷하지만, 에너지 밀도가 높고 안정성도 더 확보했다고 평가된다. 최근에는 변동성이 큰 코발트 가격에 대처하고자 NCMA(니켈/코발트/망간/알루미늄)와 같은 사원계 양극재도 개발되고 있다. 한편 국내 양극재 대표적인 기업으로는 엘앤에프, 에코프로비엠, 코스모신소재와 포스코케미칼이 있다.

 

 

 

Next Level, 전고체 배터리

전기차의 보급율이 높아짐에 따라 소비자가 요구하는 배터리의 성능은 더욱 높아지고 있다. 현재 전기자동차가 내연기관차의 주행거리를 추월하기 위해서는 현재 리튬이온 배터리를 넘어서는 새로운 고성능 2차전지가 필요할 것이다. 가장 가능성이 높아 보이는 고성능 2차전지가 전고체 배터리이다. 전고체 전지란 구성하는 모든 재료가 고체인 배터리를 말한다. 일반적으로 고체 전해액을 사용하는 2차전지를 전고체 배터리라 부른다.

 

전고체는 무기물질을 사용하므로 전해액의 단점인 가연성이 없다. 따라서 현재 상용되는 리튬이온 배터리에 비해서 안전성이 높다. 또한 전고체는 경량화, 긴 수명, 급속 충전이 장점이며, 소형화하기 쉬워 대규모 패키지를 구성할 수 있다. 전문가들은 상용화가 시작되면 현재 리튬이온 배터리의 비중을 넘어설 것으로 보고 있다. 실제로 2021년 한국전기연구원이 대주전자재료에 ‘고체전해질 공침 제조기술’을 이전해 전고체 전지 양산에 대한 기대감을 주고 있다.

 

2차전지 관련주 선별을 위해 알아야 할 사항

지금까지 2차전지의 구성과 기능을 살펴보았다. 각 구성마다 요구하는 기술은 다르지만 2차전지가 발전해 나갈 방향은 안전성과 성능이라는 것을 알 수 있었다. 2차전지 종목들이 어떤 구성 요소를 생산하는지, 기술력은 어느 정도인지 아는 것이 성공적인 투자의 선결 조건이 될 것이라 믿는다.