2차 전지 (리튬전지) 기본 원리와 Value Chain

 전기차 시장이 폭발적으로 성장함에 따라, 전기차 관련 뉴스가 쏟아지고 있다. 전기차를 구성하는 가장 중요한 요소는 배터리이기 때문에, 국내 기업 배터리 3사 (삼성 SDI, SK 온, LG 에너지솔루션)의 공장 증설 및 기업 전략 등이 주목받고 있다. 하지만, 대부분의 뉴스가 '2차 전지'의 필요성만을 강조할 뿐, 어떤 식으로 배터리가 작동하고 이와 관련된 Value Chain이 어떻게 되는지 분석한 내용들은 많지 않다. 이번 글에서는 2차 전지가 어떤 원리로 작동하고, 어떤 산업이 있을지 정리해보려 한다.

  2차 전지는 구성 요소에 따라 납 축전지, 니켈계 2차 전지, 리튬계 2차 전지로 나뉘지만, 최근 주목받는 전기차의 2차 전지로 사용되는 2차 전지는 리튬이온 배터리다. 뒤에서 조금 더 자세히 설명하겠지만, 리튬 이온 배터리는 '양극재'와 '음극재' 사이를 리튬 이온이 이동하는 화학 반응을 통해 전기 에너지가 축적되기도 하고, 반대 방향으로 이동할 때 전기에너지가 방출되는 원리를 이용한다.

 2차 전지는 크게 4가지 구성요소로 이루어져있다. 리튬이온의 Source 역할을 하는 양극재, 양극에서 나온 리튬 이온을 저장했다가 방출하면서 전류를 흐르게 하는 음극재, 이 사이를 가로막고 있으면서 리튬이온만 지나가게 해주는 분리막, 배터리 내부를 구성하면서 리튬이온이 흐를 수 있게 해주는 전해질로 이루어져있다. 각 요소들이 모두 중요하고, 없어서는 안 되는 부분이지만 '리튬 이온' 배터리인만큼 리튬 이온의 Source가 되는 양극재가 가장 중요하고 전체 원가의 약 35% 이상을 차지한다. Source에 얼마나 많은 리튬이온을 안정적으로 저장하고 있으면서, 배터리 밀도와 출력이 높은 등이 양극재의 기술력이며 배터리의 수명, 충전용량 등에 직접적인 영향을 미친다. 많은 2차 전지 업체에서 니켈, 망간, 코발트 등의 원소 비율을 잘 조합해서 가격 경쟁력이 있으면서도 성능이 좋은 양극재를 개발하기 위해 사활을 걸고 있다. 

 비슷하게 음극재도 소재를 잘 조합한 흑연, 실리콘 등을 이용해서, 배터리의 충전 속도나 수명을 늘리기 위한 여러 연구가 거듭되고 있다. 최근에는 실리콘 기반의 음극재가 주목을 받고 있으며, SK온 등의 업체에서 이를 위한 개발에 박차를 가하고 있다. 분리막은 리튬 이온만 지나갈 수 있도록 '통로'의 역할에 충실해야 한다. 리튬 이온도 못 지나갈 정도로 너무 작아도 안되고, 다른 물질들이 너무 잘 넘나들어도 곤란하며, 분리막 자체가 너무 두꺼워서 중요한 양극재/음극재의 부피가 줄어들어도 곤란하다.  하지만 이 비율을 잘못 조절해서 너무 얇을 때는 양극재/음극재가 접촉하여 'short'되어서 큰 폭발로 이어질 수도 있다. 따라서 차량에서 가장 중요한 '안전'의 이슈가 있기 때문에, 세밀한 조정이 필요하다. 이런 요소들이 모두 조화롭게 구성되어 있을 때, 안전하면서 충전속도도 빠르고, 많은 충전용량을 가진 배터리 공급이 가능해지게 된다.

 

 위에서 말한 2차 전지가 생산되어서 우리가 타는 Tesla나 현대의 전기차에 탑재되기까지 많은 기업들이 관여된다. 양극재/음극재/분리막/전해질 등을 생산하는 소재 업체들이 가장 먼저 필요할 것이다. 소재를 발굴하는 업체, 소재를 조합하여서 배터리 주요 4요소를 만드는 업체들도 필요하다. 이렇게 만든 요소들을 하나의 배터리로 만드는 업체들도 필요하며, 국내 3사를 포함하여 많은 글로벌 기업들이 배터리 시장에 뛰어들고 있다. 이렇게 만든 배터리는 현대차, Tesla 등의 업체에 납품이 된다. 여기까지가 대부분의 배터리 산업 구조인데, 최근에는 다 사용된 배터리를 Recycle (재사용)하는 산업도 각광을 받고 있다. 전기차를 보면 원가의 상당 부분이 차량 프레임보다 '배터리'다. 이런 상황에서 배터리를 바꾼다는 것은 조금 과장을 보태면 차 한 대를 새로 사는 비용이 들 수도 있다. 따라서, 배터리 원가를 줄이는 방법이 필요하고, 이 과정에서 다 쓴 배터리를 재사용하는 기술이 필요하게 된다. 이를 위해서는 배터리를 진단하는 기술, 중요한 소재들을 뽑아내는 기술 등 다양한 기술들이 필요하기에 이와 관련된 다양한 산업들이 형성될 것으로 보인다.

 2차 전지 시장이 크게 확대됨에 따라서 많은 기업들이 생기고 소부장 스타트업들도 생겨나고 있다. 이를 둘러싼 2차 전지 Value chain을 유심히 지켜보면서, 기술력을 판단해보고 심도 깊은 투자를 고려해야 옥석을 가려낼 수 있을 것으로 보인다.