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2차 전지 시장은 크게 2가지로 나뉜다.

1) 소형전지 시장 (IT모바일 기반 전동공구 등에 필요한 소형전지)

2) 전기자동차 시장

전기차 배터리의 기술력이 크게 성장하는 가운데 세계 각국이 내연기관차의 배기가스 배출을 규제하고 친환경차 도입을 지원하기 위한 다양한 정책을 펼치고 있다.

전기차 배터리를 구성하는 4대 소재에 대해 앞서 다뤘다. 전기차 성능에서 가장 중요한 부분은 '거리 이동'과 '충전 시간'이다. 이차전지의 핵심소재인 음극소재의 경우 전기자동차의 전지성능(용량)에 영향을 미치는 반면 양극소재는 전지수명과 충전시간에 영향을 미친다. 이에 한국 기업은 1회 충전 시 600km 주행거리 달성을 위해 고니켈계 음극재 개발에 박차를 가하는 한편 구조적 안정성이 높고 비용이 저렴한 인조흑연 양극재 등 NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄) 음극재 투자를 확대해 새로운 모빌리티 시대를 준비하며 차세대 제품 개발에 박차를 가하고 있다.

음극재는 양극재, 분리막, 전해질과 함께 전지의 4대 소재 중 하나로 꼽히지만, 그 핵심은 음극재이다. 포지티브 소재가 전체 배터리 생산 비용의 30~40%를 차지한다. 유럽의 경우 음극재 부족으로 배터리 공급이 부족해 전기차 생산이 일시 중단되기도 했다.

상대적으로 고가인 코발트를 줄이면서 고니켈 음극재(NCM, NCA)의 니켈 함량을 높이는 연구가 진행되고 있다. 최근 니켈 함량이 80%를 초과하는 안전성 및 출력 특성을 확보하기 위해 4차 소재 NCMA가 개발되고 있다고 한다.

2차 전지 종류

니켈-카드뮴 전지(Ni-cd)
과거에 가장 널리 사용된 배터리는 매일 반복적으로 사용하면 건전지보다 경제적으로 유리하지만, '메모리 효과'가 있고 배터리 용량을 완전히 방전시키지 않고 충전하는 것이 단점이다.게다가, 카드뮴 생산은 환경적인 위험으로 인해 점차 감소하고 있다.무선 전화, 전기 브러시, 면도기와 같은 일상적인 기기에 적합합니다.

니켈수소전지(Ni-MH)

같은 무게에서 전지는 Ni-Cd 전지에 비해 2배 이상의 전기 용량을 가지며, 1회 충전으로 더 오랜 시간 동안 사용할 수 있어 소자의 크기와 무게를 줄일 수 있다.노트북, 휴대전화 등 비교적 고가의 휴대용 전자제품에 사용되어 왔으나, 현재는 리튬이온 이차전지에 의해 침식되고 있다.

리튬 이온 2차 전지
소형, 경량, 고출력 배터리. 휴대폰에 없어서는 안 될 배터리이며, 비디오 카메라와 휴대폰의 크기와 무게를 줄일 수 있는 배터리이다.

리튬 폴리머 2차 전지
겔상에 전해질을 사용함으로써 전지의 형상이 유연해지고(플라스틱/플렉시블) 얇은 사각형 또는 시트 형태로 전지를 제조할 수 있으며, 아직 전지의 제품 개발이 완료되지 않은 상태이다. 현재 0.5mm까지 얇은 제품이 개발되고 있다. 휴대용 전자제품, 통신장비, 전기차 등에 적용될 전망이다.

납 축전지
전지 역사상 가장 오래된 전지로서 비교적 저렴한 가격으로 제조가 가능하며, 기술 완성도가 높은 전지이다.소형 전기제품부터 자동차, 지게차, 비상전원, UPS, 전기자동차, 태양전지 등 다양한 부품에 적용된다. 현재 사용 가능한 대체 기술이나 배터리는 없다.

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1차 전지와 2차 전지의 차이점은 성능차이인데 일반적으로 같은 재질로 만드는 경우는 1차 전지가 2차 전지보다 용량이 높은 편이다. 다만 2차전지는 역반응이 가능해서 여러번 충전해서 사용할수 있다는 장점이 있다.

니켈, 리튬 모두 전지의 양극에 들어가는 물질로 리튬같은 경우는 거의 모든 종류에 다들어가기때문에, 굳이 리튬전지라고 따로 분류하진 않고 니켈의 경우엔 하이니켈이라고해서 니켈 비중을 높이는 전지를 많이 만들고 있다. 특성의 차이점이라고 하면, 리튬은 전지에 꼭 필요한 기본 이온물질이며, 니켈은 배터리의 에너지밀도를 높여주며 전기자동차 주행거리 향상에 하이니켈 소재가 필수요소이다.

지금 전기차는 리튬이온 배터리나 리튬폴리머 배터리가 주로 장착된다. 그리고 2차전지에 니켈을 넣은 것은 니켈카드뮴, 니켈수소 전지가 오래전에 2차전지의 대명사로 쓰이다가 리튬이온 전지가 보급되면서 현재 널리 쓰이게 되었다. 향후 전기차 배터리에 필수적인 리튬, 고발트, 니켈 등의 소재가격도 유심히 지켜봐야 할 것이다.

리튬은 전기차, 휴대전화, 노트북 등 각종 전자기기 배터리의 핵심소재이다. 리튬 이온 배터리는 이제 배터리의 주류이다.어떤 구조와 원리로 작동할까?

리튬이온전지는 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학반응을 통해 전기를 생산한다. 음극의 리튬 이온이 양극으로 이동하여 전지가 충전되고, 양극의 리튬 이온이 음극 주위를 돌면서 에너지를 방출하고 전기를 방전시킨다. 이때, 음극과 양극의 접촉을 방지하기 위해 음극과 양극 사이의 리튬 이온의 통로 역할을 하는 전해액과 분리막이 필요하다. 일반적으로 리튬이온전지의 4가지 구성요소는 이 음극재료, 양극재료, 전해질, 분리필름이다. 리튬이온전지의 4대 구성요소와 작동원리에 대해 살펴보자. 

1) 양극재

리튬이온전지로부터 리튬을 공급받을 수 있는 공간이 음극재이다. 리튬이온이 사는 집에 비유할 수 있다. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되는 경향이 있어 좋은 음극 재료가 된다. 그러나 원소 상태의 리튬은 불안정하기 때문에 산소와 결합된 리튬 산화물 형태의 음극으로 사용된다.


상기 음극재는 용량 및 전압과 관련이 있으며, 이는 전지 성능에 중요하다. 정극 재료의 리튬 비중이 높을수록 전지 용량이 커지고, 정극 사이의 전위차에 의해 전지 전압이 결정되기 때문에 정극 구조의 전위값이 전압에 큰 영향을 미치게 된다. 최근 고성능 음극재에 대한 수요가 증가하고 있으며, NCA(니켈, 코발트, 알루미늄), NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 등 다양한 음극재가 개발되고 있다.

2) 음극재

상기 양극재는 음극으로부터 리튬 이온을 저장 및 방출하고, 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 된다. 전지가 충전되면 리튬 이온이 양극에 존재하며, 음극과 양극이 도체에 연결되면 리튬 이온이 전해질을 거쳐 음극으로 이동하고, 리튬 이온에서 분리된 전자가 도체를 따라 이동하여 전기를 발생시킨다. 나는 집에서 나오는 리튬 이온이 일에 의해 만들어지는 전기라고 생각한다.


양극재는 흑연이 주성분으로 많은 이온을 안정적으로 저장할 수 있다. 그러나 리튬 이온의 저장과 방출 과정이 반복될수록 흑연 구조가 변화하여 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들어 전지의 수명이 감소하게 된다. 용량이 크고 충전 속도를 높일 수 있는 실리콘 양극재 등 차세대 양극재 개발이 활발히 진행되고 있다.

3) 전해질

전해질은 전지 내부의 음극과 양극 사이에서 리튬 이온의 원활한 이동을 돕는 매개체이다. 리튬 이온은 통근을 위한 교통 수단이다. 전해질은 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온전도도가 높고 안전성을 위해 전기화학적 안정성과 발화점이 높은 물질이어야 한다. 또한, 전자의 경우에는 접근을 방지하고 외부 와이어로만 이동해야 합니다.


현재, 액체 전해질은 이 역할을 위한 최선의 선택지로 널리 사용되고 있다. 안전성 및 성능이 우수한 고체 및 젤라틴형 전해질에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

4) 분리막

워라벨을 위해 가정에서의 휴식과 직장에서의 일이 분리되어야 한다는 것을 보장하기 위해 다이어프램은 양극과 음극 사이의 물리적 접촉에 장애물 역할을 한다. 분리막에는 리튬 이온이 이동할 수 있는 작은 구멍이 있다. 즉, 양극과 음극의 접촉을 방지해야 하며, 이온이 이동할 수 있어야 한다

분리필름은 안전성을 위해 높은 전기적 절연성과 열적 안정성이 요구되며, 일정 수준 이상의 온도에서 자동으로 차단 이동을 방지할 수 있는 능력도 갖추어야 한다. 현재 분리막으로는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 널리 사용되고 있다. 분리필름을 더 얇게 만들어 전지 크기를 줄이는 연구도 진행되고 있다.

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배터리는 1차전지와 2차전지가 있는데 1차전지는 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리로 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리로 건전지, 알칼리전지를 의미하고, 반면에 2차전지는 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말합니다. 즉 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지는 리튬이온 배터리가 대표적이며 친환경 전기차에 필수적이다. 향후 미래 먹거리 중 하나인 분야로써 기업을 넘어서 국가에서 리튬 공급선 확보에 집중할 것으로 보인다.

유럽에서 2030년까지 내연기관 차를 퇴출하고 35년부터 전기차만 탈 수 있다고 한다. 그말인즉 30년까지는 연간 판매되는 차량의 60%를 전기차로 채워야하는 말인데 최근 미중갈등 및 러시아 공급망에 의존했던 국가들은 새로운 공급망 또는 매장지 확보가 필요하므로 리튬을 확보하려는 경쟁이 더 치열할 전망이다.