2차전지의 이해와 전기차 배터리 논쟁 정리

 
 
내연기관 자동차에서 전기차 시장으로 산업이 점차 변화를 준비하면서, 요즘 많이 듣게 되는 것이 2차전지입니다. 그리고 테슬라의 가격인하 정책과 리튬인산철(LFP: Li-FePO4) 배터리 채택으로 인해 더욱 테슬라의 가격을 낮추고, 전기차 대중화를 위한 노력들을 하고 있는 현실입니다. 기존에 국내 배데리 3사에서는 3원계 배터리는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)으로 구성된 NCM 배터리와 중국 CATL, BYD 배터리가 주로 생산하고 하고 리튬인산철(LFP) 배터리 간에 논쟁이 일어나기도 하고 있는 상황입니다. 그래서 현재 전기차 시장의 배터리에 대해 알아보고, 논쟁은 왜 일어나고 있는지 한번 살펴보도록 하겠습니다.
 
 

출처: 카누(canoo) 전기차 전용 플랫폼

 
 

1차전지,  2차전지란?

요즘 들어 2차전지라는 말을 많이 듣곤 합니다. 간단히 정리를 하면, 1차전지는 시계, 리모콘 등에 사용되는 배터리로 한번 사용을 하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 말합니다. 그리고 2차전지는 1차전지와는 다르게 방전 후에도 다시 충전을 해서 반복적으로 사용이 가능한 배터리입니다. 그래서 2차전지는 충전과 방전을 반복할 수 있도록 전지 내부에는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막, 용기로 구성이 있으며, 양극과 음극 사이에 전해질을 통해 전기의 흐름을 만들고, 전기를 발생하는 역할을 하고 있습니다.
 

2차전지 4가지 구성요소

앞에서 언급한 것처럼 2차전지는 1차전지와는 다르게 충전이 가능해서, 지속적인 사용을 할 수 있는 것을 말합니다. 그래서 충전과 방전이 가능하도록 내부에 구성요인을 크게 4가지로 가지고 있습니다. 그것이 바로 양극재, 음극재, 전해질, 분리막입니다. 그렇다면 4가지 구성요소는 어떤 역할을 하고 있는지 살펴보겠습니다. 
 
 

출처: 포스코 뉴스룸

 
 

양극재: 배터리의 용량과 전압을 결정하는 역할

 
양극재는 쉽게 배터리의 (+)극을 구성하는 소재이고, 음극재는 (-)극을 구성하는 소재입니다. 하지만 양극재와 음극재는 배터리에서 하는 역할의 차이가 있습니다. 우선 양극재부터 살펴보면, 리튬이온 배터리에서 리튬이온 자체만으로는 반응이 불안전하다는 문제로 양극활물질을 결합하여 사용하게 됩니다. 양극활물질에 해당하는 것이 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄, 인산, 철입니다. 앞에 이야기한 양극활물질의 비율을 조합해서 만드는 것이 양극재라고 보시면 되겠습니다. 양극재는 쉽게 리튬이온에 에너지원으로 배터리의 용량을 결정하는 중요한 소재입니다. 그래서 현재 2차전지 배터리 원가의 40%를 바로 양극재가 차지하고 있기도 합니다. 최근 주식시장에 많은 관심을 받은 에코프로비엠이 3원계 배터리에 들어가는 양극재 생산 국내 1위이기도 합니다. 
 

음극재: 배터리 수명, 충전속도를 결정하는 역할

 
 
음극재는 양극에서 나온 리튬을 저장했다가 방출하여 전기를 발생시키는 역할을 하는 소재입니다. 전기를 발생하는 역할을 하지만, 기본적으로 음극재는 배터리의 수명을 결정하는 역할을 하고 있습니다. 음극활물질로는 흑연을 지금까지 주로 사용을 해왔습니다. 하지만 최근에는 흑연이 아닌 실리콘을 차세대 소재로 개발하고 있습니다.  이유는 흑연보다는 실리콘이 리튬을 10배 이상 저장할 수 있는 장점이 있기 때문입니다. 
 
 
 

전해질: 배터리의 성능을 결정하는 역할

 
 
전해질은 양극과 음극에 리튬이온의 이동을 돕는 역할을 합니다. 쉽게 리튬이온이 양극과 음극 사이에서 이동을 원할하게 하는 매개체로 배터리의 성능을 결정하는 역할을 하고 있습니다. 최근에 전고체 배터리라고 하는 것이 바로 액체형태의 전해질을 사용하지 않고, 고체 전해질을 사용하는 것을 말합니다. 전해질이 누액되는 현상으로 발생하는 화재에 보다 안전할 수 있다는 장점으로 수년간 기술개발을 하고 있으나, 현재 상용화가 되지는 않은 상황이긴 합니다. 
 
 
 

분리막: 배터리의 안전을 담당하는 역할

 
 
마지막으로 분리막은 리튬이온 배터리는 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응으로 전기를 생산하는데, 여기서 분리막은 양극과 음극을 분리할 수 있도록 일종의 벽을 만드는 역할을 한다고 생각하시면 됩니다. 분리막은 양극과 음극이 서로 닿지 않도록 분리를 하는 역할과 동시에 리튬이온이 지나다닐 수 있는 통로의 역할을 하고 있기도 합니다. 양극과 음극이 서로 닿게 될 경우 화재 발생의 요인이기에 분리막은 리튬이온의 통로 역할도 하지만, 배터리의 안전을 담당하는 역할까지 한다고 볼 수 있겠습니다.
 
 
 

모양에 따라 다르게 불리는 2차전지: 원통형, 파우치형, 각형

 
 
2차전지를 구성하는 4가지 요소와 역할을 간단히 살펴보았다면, 추가적으로 알고 있어야 하는 부분이 바로 배터리 타입에 따른 구분입니다. 쉽게 모양에 따라 현재는 원통형, 파우치형, 각형으로 나누어지고 있습니다. 전기자동차에 들어가는 배터리를 자동차 공간에 효율적으로 설계해야 하는 문제가 있기 때문에 어떤 형태로 만들 것인가도 배터리의 용량과 결정된 중요한 요인이 될 수 있습니다. 원통형, 다양한 형태로 제작이 용이한 파우치형, 알루미늄 케이스를 사용하는 각형에 대한 특장점이 있긴 하지만, 우선은 배터리 타입에 따라 다르게 불리우고 있다고 이해하시면 좋을 것 같습니다. 원통형은 대표적으로 테슬라가 채택을 하고 있는 방식이며, 현대기아는 파우치형, 폭스바겐그룹은 각형을 적용하고 있습니다. 마지막으로 알아두면 좋을 것이 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)입니다. 배터리 셀은 배터리의 최소단위이고, 셀을 묶은 것이 모듈입니다. 모듈은 셀을 담은 박스이고, 이 박스를 다시 모아 담은 컨테이너를 팩으로 보시면 좀 이해가 쉬울 듯합니다.
 
 

출처: 글로벌 10대 전기차 배터리 제조사, 포브스, SNE리서치

 
 
 

그렇다면, 최근 논란인 리튬인산철(LFP)과 3원계 배터리는 뭘까?

 
최근 리튬인산철 배터리와 3원계 배터리에 대한 논란이 있는데요. 아무래도 최근 테슬라가 중국 배터리 기업인 CATL의 리튬인산철(LFP) 배터리를 채택하면서, 전기차 보급을 위해 중국 배터리 업체들이 생산하고 있는 리튬인산철을 채택해야 하는 것이 아닌가에 논쟁입니다. 국내 배터리 기업들은 3원계 배터리를 생산하고 있기 때문에 더욱 논란이 커지고 있는 것입니다. 앞에서 2차전지 배터리의 구성요소 중 양극재의 차이에서 현재 발생하고 있는 차이인데요. 리튬인산철(LFP)는 리튬(Li), 인산철(FePO4)을 양극재로 사용하고, 3원계 배터리는 NCM과 NCA로 크게 나누어지는데요. 양극재를 구성하는 소재의 약자를 따서 구분하고 있습니다. NCM 3원계 배터리는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)의 양극재를 쓰는 배터리를 말하며, NCA 3원계 배터리는 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Ai)의 양극재를 쓰는 배터리를 말합니다. 
 

에너지 밀도와 가격의 차이

 
 
리튬인산철(LFP)배터리와 3원계 배터리의 결정적인 차이는 에너지 밀도입니다. 그리고 가격 차이가 있겠습니다. 리튬인산철(LFP)는 에너지 밀도가 낮고, 가격은 저렴한 편입니다. 또한 폭발 위험성이 낮은 장점이 있습니다. 하지만, 에너지 밀도가 낮다보니, 아무래도 주행거리가 짧다는 단점이 있습니다. 그래서 중국 배터리 업체인 CATL, BYD 등이 현재 생산을 하고 있는 실정입니다. 충전속도에서는 예열시간이 필요하기 때문에 3원계 배터리에 비해서는 충전속도가 오래 걸릴 수 있다는 평가를 받기도 하고 있습니다. 그리고 배터리의 주행거리를 관리하는 SOC(State of Charge)에서도 관리가 어렵다는 단점도 가지고 있습니다. 특히 겨울철의 경우 갑자기 배터리 충전량이 급감하는 현상들이 나타나고 있다는 점에서 충전 인프라가 많지 않은 환경이라면, 운전자에게 남은 주행거리에 대한 불안감을 주는 단점도 있겠습니다. 그리고 LFP는 수명이 끝나게 될 경우에는 재활용이 어렵다는 점에서는 친환경을 위해 전기차로 전환하는 시점에서 논란의 여지를 가지고 있기도 하네요. 
 
반면 3원계 배터리는 에너지 밀도가 높지만, 상대적으로 가격이 높다는 단점이 있습니다. 에너지 밀도가 높아서 주행거리도 리튬인산철(LFP)에 비해서 많은 주행거리를 제공하고 있습니다. 하지만, 폭발 위험성이 있다는 점에서 여전히 불안감을 가지고 있기도 합니다. 3원계 배터리의 경우는 국내 배터리 업체에서 생산을 하고 있으며, 안정적인 SOC(State of Charge) 관리가 된다는 장점이 있습니다. 3원계 배터리는 리튬인산철(LFP)에 비해 배터리 수명이 짧다고 해서 80% 충전을 하는 경우들이 많기도 합니다. 반면 리튬인산철(LFP)는 100% 충전을 해도 된다고 해서, 이 부분에 대한 오해가 있기도 한데요. 3원계의 경우 100% 완충으로 운전자에게 표출이 되더라도, 시스템에서는 항상 5~10% 충전 잔여량을 남겨두기 때문에 사실 완충이냐 대한 문제는 큰 의미는 없을 것 같네요. 
 
 

출처: 현대자동차그룹, 기아 레이 LFP배터리 모델 출시

출처: KG모빌리티, 토레스 EVX, LFP배터리 모델 출시

 

리튬인산철(LFP)와 3원계 배터리의 논쟁에 대한 관점

 
현재 일어나고 있는 논란에서 전기차에 최적화된 성능적인 관점에서는 3원계 배터리를 채택하는 것이 맞다고 생각됩니다. 에너지 밀도를 통해 안정적인 주행거리, 충전속도를 확보한다는 것은 전기차에서 현실적으로 가장 필요로하는 재원일 것입니다. 자동차의 특징에서 볼 때 고전압, 고출력을 사용해야 경우, 특히 에너지 밀도가 좋은 배터리를 선택한 제조사의 입장만 보더라도 전기차를 위한 3원계 배터리의 채택은 당연한 선택일 것으로 생각됩니다.  테슬라가 채택한 리튬인산철(LFP)배터리 모델은 보급형 모델로 보는 것이 맞을 것입니다. 고가의 모델에는 3원계 배터리를 채택하는 테슬라의 제품 라인업만 보아도 쉽게 이해가 가능 부분일 것입니다. 
 
하지만 전기차의 대중화라는 시장의 관점에서는 LFP는 충분한 대안이 될 수 있다는 생각도 존재합니다. 또한 LFP의 단점을 보완하기 위해서 셀투팩(Cell to Pack) 기술을 통해 배터리팩을 많이 설치할 수 있게 함으로서 에너지 밀도에 대한 단점을 보완하는 기술개발 역시도 현재 이루어지고 있습니다. 그렇게 단점을 보완하고, 저렴한 전기차를 통해 전기차 시장의 대중화를 만들 수 있다는 점에서는 LFP 역시도 활용성은 충분할 것으로 보여집니다.
 
마지막으로 리튬인산철(LFP) 배터리와 3원계 배터리가 논쟁에서 주식 시장의 논쟁입니다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 국내 배터리 3사 주도하고 있는 3원계 배터리 시장에 대한 미래 가능성을 긍정적인 관점이 있는 반면, 중국 제조사들이 주도하는 리튬인산철(LFP) 배터리가 앞으로 대세가 될 것이라는 분석이 충돌하고 있는 형국이기도 합니다. 국내 증권사에서 불안한 국내 배터리 시장 분위기를 만들면서, 공매도 세력과 결탁했다는 이야기들이 나오면서 논쟁이 가열되기도 했습니다. 
 
개인적으로는 리튬인산철(LFP)은 전기차 대중화를 위한 옵션 정도가 아닐까 생각이 되긴 합니다. 그 만큼 전기차 가격에 대한 부담이 소비자들에게 있기 때문에 전기차 시장 초기에는 저렴한 전기차 가격을 위한 테슬라의 선택이었을 것이라고 생각됩니다. 그리고 전기차에 대한 구매, 경험 등이 많아지게 되면 자연스럽게 3원계 배터리로 가지 않을까 예상을 하고 있습니다. 여기서 결론적인 이야기보다는 결국 발전은 언제나 정-반-합의 과정을 통해 올바른 방향성을 찾아가지 않을까 싶습니다. 그래서 논쟁 역시도 좋은 결론을 위해 만들어가야 할 좋은 과정이 되지 않을까 싶습니다. 
 
 

 

모든 발전의
과정엔
정반합이 있다