전기차 그리고 2차전지, 우리나라 3사에 대한 기술적 비교

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미국 주식에 대해 주로 공부하지만 2차전지만큼은 세계수준의 글로벌 그룹이 우리나라에 3곳이나 있는 만큼 조사하는 내용도 국내관련 내용이 많아 지네요.

 

근미래에 많은 기대를 안고 있는 만큼, 이에 대한 기술적인 이슈에 대해 좀 적어보려고 합니다. 우리나라 배터리 3사에 대한 간단 비교와 그래서 미래에 어떤식으로 달라지는지에 대한 부분이 되겠네요. 그리고 얘기하다보면 일부 해외기업들도 언급이 될것 같군요.

 

이전에 간단히 이슈만 정리했는데 2차전지의 주요 수요처로 집중 받는것이 전기차이니, 전기차 관련하여서도 언급이 될 듯합니다. 밑에 내용은 저번 SK이노 Vs LG화학 소송이 있던 시점에서의 이슈 정리 내용인데 필요하시면 한번 읽어보세요 :) 

2차 전지 관련 이슈 정리 (tistory.com)

2차 전지 관련 이슈 정리

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관심을 가지게 된 배경

 

이 기사는 나온지 얼마 안되었지만, 이전에 이미 생각하고 있었고 이에 내용을 정리하고 있었는데, 배경을 잘 설명해줄 내용이라서 가져와봤습니다.

 

자동차 업계에서 근 미래의 수요를 잡고 발표하고 있으며, 이에 따라 필수불가결하게 2차전지에 대한 수요와 얼마나 많이 진입할지에 대해 말이 나올것입니다.

 

하지만, 2025년건은 대부분 계약이 이미 체결되어 있는 상황이고, 2030년도 내부적으로 진행되었을지는 모르겠지만 가닥은 이미 다 잡고 있을 겁니다. 그렇다면, 2차 전지의 수요도 중요하지만 어떤 전기차쪽으로 유행의 대세가 나올 것인가에 대한 부분을 파악할 필요가 있다고 생각이 드네요.

 

리튬 이온 배터리 타입과 관련 기업

 

아마 이 그림은 배터리 조금만 관심있으신 분들은 다 봐서 알고 있으실 것이라 생각합니다. 저기에 원통형에 LG화학이 추가로 들어간 정도만 알고 계시면 되겠네요. 작년 11월 기사 넣었습니다.

단독 LG화학 中서 테슬라 배터리 싹쓸이 | 한경닷컴 (hankyung.com)

[단독] LG화학, 中서 테슬라 배터리 '싹쓸이'

 

위의 타입에 대한 내용을 풀어서 보면 크게 3가지로 분류해서 말할 수 있겠습니다.

 

1. LG화학(또는 LG에너지솔루션)은 파우치형와 원통형에 집중하고 있으며, 파우치에서는 SK이노, 원통형에서는 파나소닉과 경쟁하게 된다.

 

2. 삼성SDI는 각형으로 LG화학과 SK이노베이션과 타입이 다르기 때문에, 전기차 탑재 시 장단점을 볼 필요가 있다.

 

3. 테슬라를 제외한 대부분의 자동차 메이커는 파우치형 또는 각형을 선택하였다.

 

이에 대한 자세한 내용은 하나하나 설명해 나가도록 하겠습니다.

 

전기차에서 2차전지에 기대하는 것

 

전기차의 핵심이라고 불리우는 2차전지에 기대하는 요소가 있습니다.

 

1. 배터리 용량 - 출력 + 사용시간

 

2. 무게 (경량화) - 효율 (한번 충전하여 갈 수 있는 주행거리)

 

3. 디자인 - 전기차의 상품성

 

4. 안정성 - 화재, 폭발등의 사고 확률

 

5. 충전 속도 - 편의성

 

이걸 배터리 타입과 연결시켜 본다면.. 절대적일 수는 없겠지만 현재 기술적으로는 이렇게 생각됩니다.

 

주의: 대부분 대기업들이 진행하고 매우 핵심적인 사업요소이기 때문에 기술이 더욱 발전하였어도 공개를 안하였을 수도 있습니다. 현재 알려진 일반적인 사항을 적어놓은 것으로 보시면 됩니다.

 

 

배터리용량(정확한 초점은 에너지 밀도), 무게, 디자인에 대해서..

 

1, 2, 3번은 '에너지 밀도'와 관련이 있습니다. 에너지밀도는 같은 공간에 얼마나 많은 배터리를 넣을 수 있는가로 판가름 납니다.

 

자동차에서 배터리에 할당된 공간은 제한적입니다. 자동차의 크기가 태생적 한계가 되겠고, 의자를 비롯한 편의시설 공간을 충분히 확보해야만 고객들에게 인기가 있겠죠? 즉, 최대한의 에너지 밀도를 구현해야 같은 크기의 자동차에서 성능 우위를 가질 수 있다는 뜻입니다. 

 

위 3가지 항목 모두 파우치형이 목표를 달성하기 유리한 구조입니다. 각형에서 존재하는 데드 스페이스를 제거하였고, 원통형에서 불리한 모듈 탑재시 잉여공간을 보다 효율적으로 줄였습니다. 이로인해서 배터리의 성능자체는 같은데 파우치형은 배터리를 묶어서 모듈 형태로 넣을때 공간을 더 효율적으로 쓸 수 있게 됩니다.

 

각형과 원통형의 바깥 케이스는 알루미늄이나 기타 금속재질로 되어있습니다. 내부의 전극을 말아서 넣기 때문에 외부 충격에 의한 변형을 막기 위함입니다. 반면, 파우치형은 일정크기로 제단된 전극이 stack되어 꽉 붙어있기 때문에 심하게 구부리지 않는 한 외부 충격으로 인한 변형이 적습니다. 이와 같은 차이로 같은 부피당 파우치형이 조금 더 가벼울 수 밖에 없습니다.

 

마지막으로 파우치형은 원하는 형태로 제단이 가능합니다.

LG화학, 헥사곤 배터리 개발…'자유자재' 소형 배터리로 IT시장 선도 - 아시아경제 (asiae.co.kr)

LG화학, 헥사곤 배터리 개발…'자유자재' 소형 배터리로 IT시장 선도

전기차를 만드는 디자이너들이 차체를 먼저 제안하고 이에 맞게 배터리를 차에 때려넣을 수 있지요. 디자인을 유지하면서도 성능도 챙길수 있는 배터리 타입이라고 보시면 됩니다.

 

안정성

 

위의 내용까지만 보면 파우치형이 제일 좋은데, 왜 SDI는 각형을 고집하고 파나소닉과 테슬라는 원통형을 사용할까요?

안정성을 확보하기 위한 난이도 차이라고 보면 타당할 것 같습니다.

 

원통형과 각형은 배터리 분야와 함께 해온 역사가 매우 깁니다. 배터리 초기 형태 자체가 원통형 또는 각형이지요. 따라서, 이에 대한 배터리 구조 디자인 자체가 보수적이고, 안정성에 대한 노하우도 들어가 있습니다. 그냥 심플하게만 보더라도 각형, 원통형은 단단한 케이스를 사용하기 때문에 외부 충격에 좀 더 강한 면모를 보여줍니다.

 

반면, 파우치형 배터리의 역사는 매우 짧습니다. 이부분은 스마트폰과 같은 소형전지쪽에서 사용되면서 자동차, ESS와 같은 중,대형에도 사용이 가능하겠다 싶어서 도입된 것입니다. 자동차에 도입된 역사는 더 짧죠. 안정성관련하여 크게 기술적 이슈 2가지, 시장 이슈 1가지로 볼 수 있습니다.

 

1. 기술적 이슈1: 전극 제단에 대한 문제

 

전극을 제단하여 쌓아서 사용하는 방식이 파우치형만 채택한 만큼 문제도 파우치형에 좀 더 크리티컬 합니다.

 

1) 전극을 작은 사이즈로 제단하다보니 부스러기가 많이 발생할 수 있고, 이 부스러기에 의해 전지 불량이 증가합니다.

 

2) 전극 제단 쌓는 과정에 따른 제조 설비 라인이 길고 복잡해 집니다. 또한, 각형이나 원통형처럼 말아서 제작하는 것이 아니기 때문에, 전극을 쌓는 과정에서 기술이 부족하다면 미스매치가 발생할 수 있고, 이후 전지 충방전 과정에서 부반응을 발생시킬 수 있습니다. 이 부반응이 과해지면, 과열되거나 심하게는 유해가스 방출 또는 발화가 될 수 있습니다.

 

3) 양극과 음극에 사용하는 재료가 다르고, 이에 따라 같은 리튬이온을 저장할 수 있는 양 또는 무게가 다릅니다. 이 문제에서 마찬가지로 부반응 발생 가능성이 나타날 수 있습니다.

 

4) 전극의 가장자리는 전기화학 반응이 일어날 때 부반응을 만들 수 있는 요소가 됩니다. 그리고 전극을 제단하여 쓰는 파우치형은 전지 하나에 수많은 전극 가장자리가 포함됩니다. 

 

이는 파우치형으로 제조하면서 생길 수 있는 전지 구조상의 차이라고 보시면 됩니다. 대기업에서 이미 이러한 문제를 해결하였다면 언급할 의미는 없게 되겠네요.

 

2. 기술적 이슈2: Customization으로 인한 생산 이슈

 

이부분은 1번과 다르게 확실히 유효하다고 보고 있습니다. 1번의 이슈는 저로써는 기술적인 동향을 기업 내부수준까지 알 수 없어서 문제점이 있는지 없는지 모르지만, 이건 명확히 생산자적인 입장에서 불리한 부분이기 때문입니다.

 

전기차에 대한 배터리 플랫폼의 형태는 회사마다 다릅니다. 여기서 파우치형의 장점을 살리고자 한다면, 전기차 제조회사에서 요구하는 사이즈에 맞춰줄 필요가 있겠고, 이에 따른 다양한 회사들과 계약을 하게 되면 그 숫자만큼 특성화된 전극 제조라인이 설비되어야 합니다.

 

각형, 원통형처럼 똑같은 모양 형태를 대량생산하여 쌓는게 아닌한, 생산 설비에 대한 종류도 많아야하고 때에 따라선 부족한 수요부분을 메꾸기위해 라인을 뜯어고치기도 해야합니다. 나름 첨단기술로 분류되는 만큼 제조 설비도 복잡하고, 이에 따른 최적화도 상당시간 소요될 것으로 생각합니다. 생산 측면에서 플랫폼의 갯수를 제한하지 않는 한 계속적으로 발생할 문제입니다. 심지어는 플랫폼 갯수를 제한하여도 서로간의 호환이 안되면 시장의 유동적인 수요를 맞추기 위해 설비를 뜯어 고치는 일은 필연이 될 것으로 보입니다.

 

쉽게 예를 들자면, 아이폰의 전면 디스플레이를 넓히면서 '노치형' 디스플레이를 생산하는데, '노치형'이 인기가 폭발하면 수요를 맞추기 위해 제조설비를 추가하거나, 기존 아이폰 디스플레이 제조 시설을 고쳐서 사용해야하고 이로 인해 추가 비용이 발생한다는 이야기입니다. 

 

3. 자동차 회사와의 트러블 

 

다양한 형태의 제단, 모듈 형태 사이즈가 자유롭다.

 

결국, 이 문구에 의해 생길 수 있는 트러블입니다. 각형, 원통형은 이미 표준형태가 정해져있고, 이를 모듈형태로 조립만 하면 되는 상태입니다. 즉, 회사 입장에서는 전지 자체를 사서 원하는 모양에 맞게 입맛대로 채워 넣으면 된다는 것이죠.

 

파우치형은 자동차 제조사에 굉장히 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 원하는 디자인에 다 맞춰준다는 것이죠.

달리 말하면, 정해진 크기의 전지만 사서 채워 넣는게 아니라 공간을 보여주고 맞춤 제작을 받아야 한다는 것입니다. 즉, 자동차 회사에서는 전기차에 전지를 구성하는 쪽에 cost를 줄이기 어렵게 됩니다. 내부에서 결정해서 줄이는게 아닌 배터리 회사와 계약을 통해서 절감해야한다는 뜻이죠. 

 

자동차회사에서 전지만 사서 채워넣으면, 파우치형 전지에 노하우가 없는 자동차 회사에서는 조립과정에서 문제가 발생할 수 있을 겁니다. 자동차 회사는 이로 인한 손해에 짜증이 나고, 전지를 제공한 회사는 억울하죠. 안전하게 시스템 다 꾸려서 준비해뒀는데, 전지만 딸랑 사가서 만든 문제를 가지고 자기네들에게 따지니까 말이죠. 

 

 

파우치형의 안정성에 대한 단점이 너무 길었는데, 반면 장점도 있습니다.

 

전고체전해질 기술 적용에 유리하다는 점입니다. 리튬이온전지의 안정성에 큰 문제를 야기하는 핵심이 바로 액체전해질입니다. 각형과 원통형은 양극/분리막/음극 형태로 된 전극을 말아서 넣고, 그 틈에 액체전해질을 넣으면 되기 때문에 문제가 없었지만, 전고체전해질처럼 고체형태로 되어있는 것을 전극을 말아가는 과정에서 적용하거나 말아진 것에 녹이던, 액체를 넣어 굳히던 무언가의 기술이 필요해집니다.

 

반면, 파우치형은 이미 작은 사이즈로 제단하였기 때문에 쌓을때 중간중간에 넣어주면 됩니다. 전통적인 고체전해질 적용하는 소자를 만드는 방식과 같죠. 미래 안전성 향상 방식을 도입하는데 유리한 것은 파우치형이 되겠네요.

 

충전 속도는 위에 언급드린 것처럼 배터리 타입보다는 원재료에서 기인한 것이 더 큽니다.

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위의 내용들을 종합해서 적용될 배터리 타입별 전기차의 특성을 예상해보면 이렇게 되지않을까 싶네요.

물론 개인적인 생각입니다.

 

1. 같은 용량 대비 가볍다: 파우치형

 

2. 좀더 유려한 디자인이 가능: 파우치형

 

3. 문제 발생 시 배터리 교체가 좀더 쉽고 빠르다: 각형, 원통형

 

안정성에 대한 부분은 매우 중요한 이슈이나 제가 이쪽의 기술적인 위치를 모르니 적을 수가 없을 것 같네요.