5. 리튬 이온 전지의 특성

[엔지닉 2차전지 칼럼소개]

2차전지의 경우 다른 산업과 달리 교육 프로그램이나 교육 자료가 거의 없습니다. 그렇다보니 2차전지 공부를 하려는 학생들이 실제로 저에게 어려움을 토로하곤 합니다. 그래서 2차전지 공부를 시작하는 학생들을 위해 2차전지가 무엇인지, 무엇을 알아야 하는지에 대한 글을 연재하려고 합니다. 해당 내용은 비전공자를 포함한 모든 이공계생은 물론, 2차전지에 관심이 있는 문과학생들도 알아 두면 좋은 내용들입니다. 2차전지에 관심이 있는 학생들에게 도움이 되기를 바랍니다.

 리튬 이온 전지는 경쟁 전지를 압도하는 장점으로 휴대용 전자기기와 전기자동차 시장의 주력 전지 위치를 공고히 하고 있다. 19세기에 개발한 납축전지와 니카드전지를 고전 전지라고 하면, 1991년에 상업화한 리튬 이온 전지는 니켈 수소 전지와 함께 현대 전지로 분류할 수 있다.

 금속을 음극으로 하는 다른 전지와 비교하여, 흑연을 음극으로 하는 리튬 이온 전지는 수명이 길다. 세라믹을 사용하는 양극보다 금속을 사용하는 음극이 수명이 짧다. 음극에 금속 대신 양극과 동일한 결정 구조의 물질을 사용하면 전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있다. 이런 원리에 의하여 만들어진 전지가 그네 전지(swing battery)이다. Sony는 그들이 상업화한 그네 전지를 리튬 이온 전지라고 명명한다. 리튬이 원자가 아니라 이온으로 되어 있어 안전하다는 것을 강조하기 위하여 붙인 이름이다.

리튬 이온 전지의 평균 전압은 3.6~3.75V이다. 평균 전압이 1.2V인 니카드전지, 니켈수소 전지의 3배이다. 충전 시에는 전압이 4.2~4.35V까지 올라간다. 높은 전압으로 단위 부피 당 용량인 에너지 밀도와 단위 무게 당 용량인 specific energy가 높다. 이런 특성으로 리튬 이온 전지는 동일 용량에서 다른 전지보다 작고 가볍게 만들 수 있다. 동일 부피에서는 더 많은 용량을 넣을 수 있어 작동 시간과 주행 거리가 늘어난다.

 리튬 이온 전지는 다른 전지와 비교하여 전극과 분리막이 얇아 정밀 제조가 필요하다. 그래서 동일한 공정을 사용해도 업체의 기술 수준에 따라 성능과 품질의 차이가 크다. 삼성, LG, SK와 같은 대기업이 전지 사업을 하기 때문에 전지 공장 건설에 대규모 투자가 들어갈 것으로 생각하기 쉽지만 실상은 그렇지 않다. 조 단위의 투자비가 들어가는 반도체, 디스플레이 사업과는 달리 투자 규모가 작다. 소형 전지 공장 건설에는 450억원 정도가 들어간다. 전기자동차용 전지의 경우도 1000억원 정도면 이익을 낼 수 있는 규모의 공장 건설이 가능하다. 투자비보다는 개발 역량이 진입 장벽이라고 할 수 있다. 남보다 한발 앞선 개발로 시장을 주도하는 것이 사업의 성공 요소이다.

 리튬 이온 전지는 소재 중심의 전지이다. 소재 기술이 경쟁력을 좌우한다. 반도체와 디스플레이는 장비로 세대를 구분하지만 리튬 이온 전지는 소재로 세대를 구분한다. 새로운 소재로 기술을 선도하는 업체를 leading 업체라고 부른다. 소재 기술이 뛰어난 나라인 일본이 전지 산업을 주도하는 것도 리튬 이온 전지가 소재 중심의 전지이기 때문이다.

 리튬 이온 전지 산업은 일본, 한국, 중국의 동양 3국의 산업이다. 미국은 2차례 시도를 했으나 실패했고, 유럽은 아직 상업화 시도를 하지 않고 있다. 동양 3국의 경쟁은 소재에서 승패가 결정될 가능성이 높다. 일본에 대한 소재 의존도가 높은 한국은 시간이 흐를수록 불리한 상황에 몰릴 수 있다. LG화학과 SK innovation은 파우치 전지 업체이다. 파우치 전지의 파우치 필름은 알루미늄 박에 다층의 기능성 폴리머를 코팅한 것이다. 파우치 전지 수명에 결정적인 역할을 하는 중요한 소재이다. 국내에서는 일본 DNP와 쇼와덴코에서 파우치 필름을 공급받는다. 국내 제품은 신뢰성이 떨어져 채용하지 못하고 있다. 국내 전지산업계는 리튬 이온 전지가 소재 중심의 전지라는 것을 실감하고 있다.

[엔지닉의 요약정리!]

■ 고전 전지와 현대 전지

 - 고전 전지 : 납축전지, 니카드전지

 - 현대 전지 : 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지

■ SONY는 음극과 양극에 동일한 결정구조의 물질을 사용하여 전지의 수명을 획기적으로 늘린 전지인 '그네 전지(swing battery)'를 상업화

 ▶▶ 그네 전지를 '리튬 이온 전지'라고 명명

■ 소재 기술이 경쟁력을 좌우하는 리튬 이온 전지 시장

 → 소재 기술이 뛰어난 일본이 전지 산업을 주도하는 이유

 → 미국은 2차례 진입 시도했으나 실패, 유럽은 아직 상업화 시도 X

 ▶▶ 일본 / 한국 / 중국어 리튬 이온 전지 산업의 경쟁자

 But) 일본에 대한 소재 의존도가 높은 한국은 시간이 흐를수록 불리한 상황에 놓일 수 있음