안녕하세요. 요즘 2차전지로 아주 주식시장이 핫하게 달아오르고 있습니다.
에코프로, 금양, 포스코 등 배터리아저씨 박순혁 8종목이 시장을 주도하고 있습니다.
근데 배터리아저씨 박순혁씨가 말하기를 ‘전고체 배터리는 허상이다’
그래서 우리는 한번 전고체 배터리에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
1. 전고체 배터리란 무엇일까?
리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성됩니다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있습니다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 배터리입니다.
리튬이온 배터리와 전고체 배터리 구조
구조적으로 살펴보면 현재 사용하고 있는 대부분의 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이에 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음극, 분리막과 함께 있지만, 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질이 포함되면서 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신하고 있습니다.
전고체 배터리의 양극은 일반적으로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 철 인산염(LiFePO4) 또는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NCM)과 같은 리튬 함유 물질로 만들어집니다.
음극은 전형적으로 리튬 금속 또는 흑연 또는 실리콘과 같은 리튬-이온 인터칼레이션 물질로 구성되며, 이는 충전 동안 효율적이고 가역적으로 리튬 이온을 흡수하고 방전 동안 방출할 수 있다. 리튬 금속 양극은 높은 이론적 비용량으로 인해 특히 매력적이며, 이는 더 많은 에너지를 저장할 수 있습습니다.
리튬이온 배터리를 사용함에 있어 사용자들이 가장 우려하는 부분은 바로 안전성입니다. 현재의 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시의 위험성이 존재합니다. 그래서 안전성을 높이기 위한 부품이나 장치들이 필요합니다.
이에 반해 전해질이 고체인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있습니다.
2. 전고체 배터리를 개발해야 하는 이유
전고체 배터리가 필요한 이유는 무엇일까요? 그것은 바로 전기차용 배터리 용량을 높여야 하기 때문입니다.
많은 시장조사기관에서는 앞으로 전기차가 내연기관차를 대체해 자동차업계의 주류로 성장할 것이라고 예측하고 있습니다. 그리고 전기차가 확실한 대세가 되기 위해서는 현재의 내연기관차와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 하고, 이를 위해 핵심부품인 전기차용 배터리 용량을 증가시키는 것이 무엇보다 중요합니다.
배터리의 용량을 늘리는 방법은 두가지가 있는데 첫번째는 배터리의 개수를 늘리는 것입니다. 하지만 이 경우는 배터리 가격 상승과 공간 효율성을 저해시키기 때문에 실현하기 어렵습니다.
전고체 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높습니다. 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채웠기 때문입니다.
전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 부품 수의 감소로 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 안성맞춤입니다.
그래서 필요성을 좀 나열해보자면
안전 문제: 기존의 리튬 이온 배터리는 가연성 액체 전해질을 사용하므로 배터리가 제어할 수 없이 가열되어 화재가 발생하거나 폭발할 수 있는 열 폭주와 같은 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 불연성 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 안전성을 크게 향상시키고 위험한 배터리 고장의 위험을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
에너지 밀도: 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 더 높은 에너지 밀도를 제공할 가능성이 있습니다. 에너지 밀도는 배터리가 단위 질량 또는 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양을 측정한 것입니다. 더 높은 에너지 밀도는 더 오래 지속되는 배터리 또는 더 작은 공간에 더 많은 에너지를 담을 수 있는 능력을 의미하며, 이는 휴대용 장치, 전기 자동차 및 재생 가능 에너지 저장 시스템에 매우 중요합니다.
사이클 수명 및 수명: 고체 전해질은 액체 전해질에 비해 시간이 지남에 따라 더 나은 화학적 안정성을 나타낼 것으로 예상되며, 이는 여러 번의 충전-방전 주기에서 배터리 성능을 저하시키고 저하시킬 수 있습니다. 사이클 수명과 수명이 향상되어 배터리를 자주 교체할 필요성이 줄어들어 비용이 절감되고 환경적 이점이 있습니다.
고온 성능: 기존의 리튬 이온 배터리는 고온에서 성능 저하 및 안전 문제가 있습니다. 열 안정성이 향상된 전고체 배터리는 극한의 온도 조건에서 더 나은 성능을 발휘할 것으로 예상되어 더운 기후 또는 고온 환경에 적용하기에 적합합니다.
빠른 충전 및 방전: 고체 전해질은 배터리 내에서 더 빠른 리튬 이온 수송을 가능하게 하여 더 빠른 충전 및 방전 속도를 가능하게 합니다. 이 기능은 전기 자동차와 같이 급속 충전이 필수적인 애플리케이션에서 특히 바람직합니다.
고에너지 재료와의 호환성: 전고체 배터리는 리튬 금속 양극과 같은 고에너지 전극 재료의 사용을 잠재적으로 지원할 수 있습니다. 리튬 금속 양극은 이론적 비용량이 높기 때문에 리튬 이온 배터리에 사용되는 기존 흑연 양극보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 그러나 리튬 금속 애노드는 덴드라이트 형성 및 제어할 수 없는 반응과 관련된 안전 문제로 인해 액체 전해질 시스템에 구현하기가 어렵습니다. 고체 전해질은 리튬 금속 양극을 통합하기 위한 보다 안전한 플랫폼을 제공합니다.
환경적 영향: 세계가 보다 깨끗하고 지속 가능한 에너지 솔루션으로 전환함에 따라 전고체 배터리와 같은 고급 에너지 저장 기술의 개발은 에너지 소비 및 전자 폐기물 생성의 환경적 영향을 줄이는 데 필수적입니다.
3. 전고체 배터리 개발 동향
정부는 전고체 전지 세계 최초 상용화를 목표로 민관이 2030년까지 20조 원을 투자할 계획이다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 3사는 최첨단 제품을 생산하는 ‘마더 팩토리’를 국내에 짓는다. 특히 3사 모두 전고체 배터리 시제품 생산 공장을 국내에 구축할 예정이다.
전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체해 안전성과 성능 면에서 진일보한 차세대 배터리다. 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높고 화재나 폭발 위험성이 작다는 장점이 있어 일명 ‘꿈의 배터리’로 불린다.
그 중 삼성SDI는 전고체 배터리 개발에 집중하고 있습니다. 자체 개발 프로젝트 외에도 삼성전자 종합기술원, 일본연구소와 협력해 전고체 배터리 기술을 공동으로 개발하고 있습니다.
삼성SDI는 지난 2013년부터 모터쇼나 배터리 관련 전시회에서 중장기 전고체 배터리 기술들을 선보이고 있으며, 현재는 요소기술 개발단계로 상용화를 위해 개발에 매진하고 있습니다. 그리고 2분기 컨퍼런스콜에서 “검증된 소재 기술과 고체 전해질 등 독자적으로 개발한 신규 소재를 접목하여 고에너지밀도, 고안전성 전지 개발 가능성을 확인했다”며 차세대 배터리에 대한 자신감을 드러낸 바 있습니다.
한편 지난 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 주행거리 800km, 1,000회 이상 충방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개하기도 했습니다. 전고체 배터리의 수명과 안전성을 높이면서도 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 담고 있는 이 연구내용은 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재되기도 했습니다.
그리고 오늘 또 하나의 소식이 전해 졌죠.
삼성SDI가 글로벌 완성차업체인 스텔란티스와 미국에 두 번째 전기차 배터리 공장을 짓는다고 합니다. 삼성SDI는 스텔란티스와 지난해 미국 인디애나주에 설립한 합작법인 스타플러스에너지의 2공장을 건설하기 위해 양해각서(MOU)를 체결했고 양사는 2027년 가동을 목표로 연산 34GWh(기가와트시) 규모의 전기차 배터리 공장을 건설할 계획이다. 신규 공장의 부지 위치는 검토 중이라고 합니다.
현재 건설 중인 인디애나주 코코모시의 1공장은 당초 연산 23GWh 계획을 33GWh로 확대해 2025년 1분기부터 가동할 예정이다. 여기에 2공장까지 더하면 삼성SDI가 미국 내에서 스텔란티스에 공급 가능한 전기차 배터리 용량은 총 67GWh에 달한다.
삼성SDI는 2공장 건설을 통해 미국 전기차 시장 진출을 가속화하고 스텔란티스의 전동화 전략에 동참한다는 계획이다.
최윤호 삼성SDI 대표이사 사장은 “지난해 스텔란티스와의 합작법인 설립을 통해 북미 전기차 시장에 확고한 발판을 마련했다”며 “2공장을 통해 미국 시장 진출을 가속화하고, 스텔란티스가 미국의 전기차 시대로의 전환을 앞당길 수 있게 최고의 안전성과 품질을 갖춘 제품을 공급하겠다”고 말했다.
카를로스 타바레스 스텔란티스 CEO는 “이번 신규 공장을 통해 2030년까지 북미 지역에 최소 25개의 신규 전기 차종을 공급할 수 있을 것” 이라며 “앞으로도 삼성SDI와의 지속적인 협력을 통해 미국 내 생산능력을 확대하고, 2038년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 노력할 것”이라고 하네요.
4. 전고체 배터리의 단점
전고체 배터리는 많은 이점을 제공하지만 광범위한 상용화를 위해 해결해야 하는 특정 문제와 단점도 있습니다. 전고체 배터리의 주요 단점은 다음과 같습니다.
제조 복잡성 및 비용: 전고체 배터리의 제조는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 더 복잡하고 전문적인 제조 기술이 필요합니다. 고체 전해질은 종종 고온 처리, 진공 증착 또는 소결이 필요하므로 생산 비용이 증가할 수 있습니다. 새로운 재료와 생산 방법을 사용하면 확장성 문제가 발생하여 대규모 제조가 더 어렵고 비용이 많이 듭니다.
제한된 이온 전도도: 고체 전해질, 특히 세라믹 기반 전해질은 기존 배터리에 사용되는 액체 전해질에 비해 이온 전도도가 낮을 수 있습니다. 이러한 제한으로 인해 내부 저항이 높아져 배터리의 전력 출력과 효율성이 감소할 수 있습니다. 다른 성능 특성을 손상시키지 않고 고체 전해질의 이온 전도도를 개선하는 것은 여전히 중요한 연구 과제로 남아 있습니다.
기계적 무결성 및 파손: 일부 고체 전해질 재료는 상대적으로 부서지기 쉬우며, 배터리 주기 동안 반복적인 팽창 및 수축으로 인해 시간이 지남에 따라 고체 전해질이 파손되거나 열화될 수 있는 기계적 응력이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 배터리 성능과 수명이 저하될 수 있습니다. 기계적 안정성과 유연성이 우수한 고체 전해질 재료를 찾는 것이 중요합니다.
계면 호환성: 전고체 배터리는 종종 인터페이스에서 서로 호환되는 새로운 전극 및 전해질 재료가 필요합니다. 전극-전해질 인터페이스에서 우수한 접착력과 최소 저항을 보장하는 것은 효율적인 이온 전달 및 전체 배터리 성능에 필수적입니다. 우수한 계면 호환성을 달성하는 것은 전고체 배터리 개발에서 중요한 과제로 남아 있습니다.
상용화 영역 낮음: 2021년 9월 제가 마지막으로 업데이트한 시점에서 전고체 배터리는 아직 연구 개발 단계에 있으며 광범위한 상용화를 달성하지 못했습니다. 이 기술은 비용, 성능 및 확장성 측면에서 기존 리튬 이온 배터리와 경쟁할 만큼 아직 성숙하지 않았습니다. 연구 프로토타입에서 상용 제품으로 전환하려면 재료, 제조 공정 및 비용 절감의 상당한 발전이 필요합니다.
온도 감도: 전고체 배터리는 일반적으로 액체 전해질 배터리에 비해 고온에서 더 잘 작동할 것으로 예상되지만 일부 고체 전해질 재료는 여전히 저온 성능과 관련하여 제한이 있을 수 있습니다. 매우 낮은 온도에서는 특정 고체 전해질의 이온 전도성이 감소하여 추운 환경에서 전력을 효과적으로 전달하는 배터리의 기능에 영향을 줄 수 있습니다.
제한된 재료 선택: 현재 전고체 배터리에 적합한 고체 전해질 재료의 범위는 기존 리튬 이온 배터리에 사용할 수 있는 다양한 액체 전해질에 비해 제한적입니다. 이러한 제한은 양극 및 음극에 사용할 수 있는 재료의 선택을 제한하여 잠재적으로 배터리의 전체 에너지 밀도 및 성능에 영향을 미칩니다.
확장 과제: 전고체 배터리 생산을 실험실 규모에서 상업 규모로 확장하는 것은 중요한 과제입니다. 경쟁력 있는 비용을 유지하면서 대규모 생산에서 일관된 품질과 신뢰성을 보장하는 것은 극복해야 할 장애물입니다.
전고체 배터리 분야의 연구 개발이 진행 중이며 이러한 단점 중 일부는 재료 과학, 제조 기술 및 배터리 설계의 발전으로 해결되거나 완화되었을 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 기술이 계속 발전함에 따라 이러한 단점이 극복되고 전고체 배터리가 더욱 실용적이고 경쟁력 있는 에너지 저장 솔루션이 될 것으로 기대됩니다.
5. 전고체 배터리 관련주
이수스페셜티케미컬 (457190)
2023년 5월 31일 이수화학의 정밀화학 및 전고체전지소재 사업부문을 인적분할하여 설립됨. 전문화된 사업영역에 사업부문의 역량을 집중함으로써 지속성장을 위한 전문성을 강화하며 경영효율성을 증대함.
주요 생산품목 중 분자량 조절제(TDM, NOM/NDM)의 경우 동사가 국내 유일의 생산업자로써 사업을 영위하고 있음. IPA의 경우 동사와 LG화학이 국내 생산을 양분하고 있음.
이수화학은 LAB, NP를 주제품으로 하는 석유화학 부문과 건설사업 부문, 의약사업 부문으로 구분하고 있습니다. 거기서 기업 분리를한 이수스페셜티케미컬은 전고체용 황화리튬 저가화 연구를 진행 중에 있는데요.
한국전자기술연구원이 주관하는 황화물계 전고체 배터리 전해질의 핵심기술 개발업체로 선정된 바 있고, 국내에서 유일하게 전고체 배터리용 황화물계 고체전해질 원료인 황화리튬(Li2S)을 공급할 수 있는 업체입니다.
씨아이에스 (222080)
씨아이에스는 리튬 2차 전지 생산을 위한 전극 제조관련 장비를 전문 제작하며 2차 전지 전공정인 Coater, Calender, Slitter, Tape Laminator 및 기타 설비 등을 생산하고 있습니다.
코팅공정에서 기존 열풍 방식의 건조 시스템의 틀에서 벗어나 과열증기를 이용한 건조 방식의 코터를 개발하여 생산성을 높이고 있답니다.
씨아이에스는 싸아이솔리드, 티에스아이, 한국진공 등과 함께 고체 전해질 생산라인 마련을 위한 업무협약을 맺었습니다.
한농화성 (011500)
한농화성은 계면활성제, 글리콜에테르, 특수산업용 유화제 등 다양한 정밀화학제품을 전문적으로 생산하며 고부가가치 신제품은 FM, 글라임 등 첨단화학제품의 비중을 점차 높여가고 있습니다.
계면활성제 산업은 정밀화학의 한 분야로서 알콜, 지방산, 아민 등을 주원료로 사용하여 여러 가지 특성을 지닌 유도체를 생산하는 산업입니다.
한농화성은 전고체 배터리 전해질을 개발하고 있습니다.
미래컴퍼니 (049950)
미래컴퍼니는 반도체 및 디스플레이 패널 제조 장비 연구 개발 및 제조하는 사업 등을 영위하고 있고, 자회사 미래디피를 통해 Touch 패널을 제조 판매하는 사업을 전개하고 있습니다.
2024년까지 전고체 배터리 정부 과제 연구개발을 진행하고 있고, 정부와 삼성SDI로부터 지원을 받는 협약을 체결한 바 있습니다.
삼성SDI (006400)
삼성SDI는 2차 전지 생산 업체이며, 전고체 배터리 기술이 가장 앞서고 있으며, 가장 먼저 상용화가 가능할 것으로 보이는데 그 시점을 2027년으로 보고 있습니다.
삼성SDI가 글로벌 완성차업체인 스텔란티스와 미국에 두 번째 전기차 배터리 공장을 짓는다고 합니다. 삼성SDI는 스텔란티스와 지난해 미국 인디애나주에 설립한 합작법인 스타플러스에너지의 2공장을 건설하기 위해 양해각서(MOU)를 체결했고 양사는 2027년 가동을 목표로 연산 34GWh(기가와트시) 규모의 전기차 배터리 공장을 건설할 계획이라고 합니다.
LG에너지솔루션 (373220)
LG에너지솔루션은 LG 화학으로부터 물적분할로 설립됐으며 EV, ESS, IT기기, LEV 등에 적용되는 전지 관련 제품의 연구, 개발, 제조, 판매하는 사업을 영위하고 있습니다.
배터리 Recycle/Reuse 사업과 배터리 및 차량 관련 데이터를 활용하여 부가가치를 창출해 내는 BaaS 사업 등을 추진하고 있고요.
전고체 배터리의 상온 충전을 해결한 기술력으로 상용화에 바짝 다가선 기대가 돋보이고, 삼성SDI와 마찬가지로 2027년에 상용화를 목표로 하고 있습니다.
SK이노베이션 (096770)
SK이노베이션 역시 2차 전지 생산 업체이며, 리튬이온 배터리 시대를 연 인물이자 2019년 노벨상 수상자인 존 구디너프 미 텍사스대 교수와 공동 연구하고 있습니다.
전고체 배터리 상용화에 역시 속도를 내고 있으며, 다른 2차 전지기업들에 비해 늦은 2030년을 목표로 하고 있습니다.
아무리 배터리 아저씨가 전고체는 허상, 거짓이라고 하지만 많은 기업들이 달려들어 개발하고 있는건 사실입니다.
일본 도요타, LG에너지솔루션, 삼성SDI, 현대자동차 등 많은 기업들이 특허를 내고 꿈의 배터리를 위하 달려고 있습니다.
시간이 얼만나 걸릴진 몰라도 꼭 상용화 되어야 하는 기술이라고 저는 생각합니다.
감사합니다.
주식 투자는 보인의 책임