KIST 에너지저장 연구센터의 정경윤 센터장의 배터리 산업에 대한 의견을 질의응답 식으로 진행한 내용인데 매우 양질의 배터리 관련 컨텐츠로 참고할 부분이 많았습니다.
2. 배터리 연구 방향이 국가별로 다른 이유
인산철계 양극재의 이론적 용량은 170mAh/g이며 더 이상 올라갈 방법이 없음
3원계(리튬코발트옥사이드)의 이론적 용량은 273mAh/g 정도로 두 양극재 사이의 차이가 많이 남.
초기 리튬코발트옥사이드계 양극재는 약 150mAh/g이었으나 하이니켈화 되며 용량이 늘어나면서 최근 200mAh/g까지 올라와 있는 상황이며, 향후 에너지 밀도 개선 여지가 인산철계보다 높음.
중국 배터리들은 3원계에서 기술적으로 한국업체들에게 뒤쳐지다 보니, 보급형 차량 중심으로 인산철배터리를 집중하였음.
6. 배터리 양산이 어려운 직접적인 이유
배터리 양산은 소재기술과 공정기술의 집합체로 후발주자 들이 진입하기 매우 어려운 분야임.
양극재의 예를 들면, 양극재는 활물질의 모양까지 컨트롤을 해야함.
입자의 모양 및 크기 등을 제조사의 요구에 따라 동그랗게도 길게도 만들기도 해야 하며, 균일하게도 혹은 의도적으로 크기도 다르게(bi-modal 또는 multi-modal로 해서 전극을 만들었을 때 packing density가 높게 끔 컨트롤 해야함) 만들기도 해야 함.
양극재 입자 내의 안쪽부분과 바깥쪽부분 농도를 다르게 만들기도 함. (예, 입자 바깥쪽에 니켈이 있으면 불안정하지만, 안쪽의 농도를 높이고 바깥쪽의 농도를 낮게 하면 좀 더 안정화시킬 수 있음) : 한양대 선양국 교수의 농도구배형 양극재 기술
바인더, 도전재의 사용 및 혼합비율, 집전체(얇게 만들면서 인장강도를 높여 잡아당기면서 공정을 해도 찢어지지 않게 하는 기술) 기술, 셀조립 단에서 적층을 최적화 시키는 방법(전해액이 잘 스며들면서 밀도가 높게 셀 안에 패킹하는 법), de-gassing 방법 등 수많은 노하우 들이 혼합되어져서 수십만개의 셀이 동일한 조건에서 생산되어야 하기 때문에 배터리의 양산 수율을 잡는 것이 매우 어려움.
다양한 모양의 활물질들(입자)을 균일하게 하고 생산 시 균일한 조건으로 대량 양산을 하는 게 매우 어려운 일이며, 많은 시간이 소요되는 부분임.
최적화된 방법도 규모가 달라지고, 라인이 달라지면, 거기에 맞게 또 모든 작업들을 다시 해야함.
똑 같은 장비와 동일한 조건이라도 동일한 결과물이 나오는 것이 아니기 때문에 그 안에서 미세조정을 해야 함.
후발주자들이 이러한 시행착오를 겪는 동안 선행업체들은 계속해서 기술개발을 통해 기술격차를 유지할 수 있음.
7. 인산철 배터리 VS 삼원계 배터리
기술적으로 개선할 여지가 많은 것은 삼원계 배터리임.
인산철의 이론적 용량은 170mAh/g으로 어떻게 해도 늘어나지가 않음. (철의 비중을 조절하고 다른 물질을 첨가함으로써 전압을 조절하는 것은 가능하나 용량 자체가 늘어나지는 않음)
인산철배터리는 어느정도 결정된 소재를 가지고 하는 것이기 때문에 소재단의 발전보다는 공정최적화를 통해서 배터리를 개선하는 방향으로 발전하고 있음. (셀투팩, 셀투샷시 등)
삼원계 배터리는 공정단 뿐 아니라 소재단에서도 더 발전될 여지를 가지고 있음.
인산철은 인산철 배터리라고 명칭이 정해져 있지만, 삼원계는 NCM523 / 811 / 9반반 또는 NCMA, NCA, 코발트프리, 하이망간 등 명칭이 계속해서 바뀌어 나가고 있음.
삼원계는 향후 유사한 구조의 다른 성분으로 발전하는 것까지 향후 소재가 발전할 수 있는 여지가 더 많이 있음.
8. 한국과 중국의 배터리 기술력 비교
정부에서 기술수준 평가를 매년 진행하고 있음.
얼마전까지 기술수준 평가(셀, 소재, 공정 기술 등)를 하면 대부분 일본이 1위를 하였으나,
최근 평가를 보면, 셀 기술에서는 한국이 1위로 평가되고 있음.
소재기술은 발전을 더 해야 하는 부분이 있으나, 전체적인 평가는 한국이 가장 앞서 나가고 있다고 조심스럽게 평가할 수 있음.
그러나 산업은 기술 뿐 아니라 시장 환경도 함께 고려되어져야 함.
현재 소재의 많은 부분을 중국의 수입에 의존하고 있음.
중국의 공정기술(셀투팩, 셀투샷시 등)과 리튬인산철 배터리 기술들은 국내업체들도 예의 주시해야 함.
9. 업계에서 신경 쓰는 기술 경쟁 이슈는
인산철배터리의 경우 국내에서 LG엔솔은 생산을 하고 있고, 삼성SDI는 많은 물량은 아니지만 일부 하고 있음.
삼원계 배터리에서 기술적 이슈는 양극재의 성능을 어떻게 더 높일까 하는 부분임. (구반반, 망간리치 등)
그 외, 음극재는 흑연의 에너지 밀도를 더 이상 높이기 어렵기 때문에 실리콘 적용을 시도하고 있음.
학계에서는 전고체, 리튬-메탈, 나트륨전지 등 다양한 연구가 진행되고 있음.
과거에는 충전, 주행거리가 가장 큰 이슈였으나, 최근 들어 대중화를 위해 가격 문제가 중요 이슈가 되고 있음.
충전 인프라 문제도 중요한 이슈인데, 전력망을 확충하거나 충전시설에 소규모 ESS를 설치하여 충전하는 방법 등이 고려되고 있음.
신재생에너지를 통해 향후 발전을 많이 해야 하는데, 신재생에너지는 ESS가 필수적으로 동반되어져야 함.
향후 배터리는 전기차용, ESS용, IT용 등으로 세분화 되어져 용도에 맞는 다양한 물성을 지닌 다양한 배터리가 필요하게 될 것임.
전기차용은 부피당 에너지 밀도가 높아야 하고, 차의 수명과 배터리의 수명이 같아야 함.
IT용은 가격보다, 소형화가 중요
ESS는 가격경쟁력이 가장 중요함. ESS는 용량이 기가 수준이기 때문에 가격경쟁력이 최우선적으로 고려되어져야 함. 공간의 제약이 덜하기 때문에 전기차용 보다 부피당 에너지 밀도는 덜 중요함.
배터리 산업은 시장 예측기관에 따라 다르지만 전기차 시장 만 2030년 10배 이상 커질 것으로 예측되는데, 인프라시장을 고려한다면 배터리 산업의 성장속도는 훨씬 커질 것으로 예상
11. 개발단에서 바라본 ‘공급망’ 이슈는?
전기차 이전 리튬의 사용량은 크지 않았으나 전기차 보급이 빨라지면서 리튬의 소요량은 급속도로 증가하여, 매장량과는 별도로 생산량에 문제가 생긴 상태임.
니켈은 이전에도 스테인리스 강 등에서 많이 사용되어져 왔기 때문에 리튬에 비해 사정이 좀 더 나은 편임.
코발트는 60% 이상을 콩고에서 생산되기 때문에 가격 문제 뿐 아니라 인도적 문제도 있는 광물임.
대부분의 광물 정제가 중국에서 이뤄지는 이유는 기술의 문제라기 보다는 환경적 문제가 더 크다고 할 수 있음.
정제 과정에서 많은 유해물질들이 배출되기 때문에 선진국에서 정제 사업을 하는 것이 쉽지 만은 않은 상황임.
2차전지 소재 및 원자재의 특정국가(특히 중국)의 의존도가 매우 높은 상황이기 때문에 이에 대한 개선책이 반드시 필요한 상황임.
https://www.youtube.com/watch?v=vkHDwMIJGIg