2차전지 그리고 리튬이온 배터리란 무엇인가? 기초 상식 알아보기
2차전지와 리튬이온배터리 배터리에 대해 간단하지만 필요한 기초 상식과 배터리 산업에 대한 전망을 알아보고자 한다.
2차전지(Secondary Battery)란 무엇인가?
2차전지는 재충전이 가능한 전지로, 반복해서 충전하고 방전할 수 있는 전지를 지칭합니다. 이러한 전지는 에너지를 저장하고 다시 사용할 수 있는 화학적 반응을 통해 생성되며, 이 에너지는 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. 예를 들어 가전제품, 자동차, 컴퓨터 등 다양한 제품에서 2차전지가 많이 사용되고 있습니다.
반면 우리가 일상생활에서 흔히 사용하고 있는 건전지는 충전이 불가능한 1차 전지가 대부분입니다. 이는 일회용 전지이며, 재사용이 불가능하기 때문에 환경에 대한 영향이 큰 것입니다.
2차전지의 초기 형태는 납축 배터리로 주로 자동차 출발용 배터리로 사용되었으며, 다음으로 니켈계 배터리는 높은 충전/방전 효율을 가졌지만 환경오염과 독성으로 인해 더 환경 친화적인 대안으로 대체되었다.
리튬이온 배터리는 현재 2차전지 기술 중 가장 혁신적인 것 중 하나로, 1990년대 중반부터 본격 상용화 되었다. 높은 에노지 밀도, 가벼운 무게, 긴 수명, 낮은 자체 방전률 등의 장점이 많은 배터리로 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다.
2차전지의 종류는 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지 등이 있으며, 각각의 전지마다 다른 특징을 갖고 있습니다. 최근에는 2차 전지 중 리튬이온전지가 가장 많이 사용되고 있습니다.
1. 납축전지
상자 형태의 전지로 자동차 엔진룸에서 흔하게 볼 수 있다. 납축전지는 자동차 SLI(Starting, Lighting & Ignition)용, 전동 지게차, 잠수함, 골프 카트 등에 주로 사용된다. 이들은 보통 무거운 편이며, 지게차나 잠수함의 무게중심을 맞추는 데 사용된다. 납축전지는 방전된 상태로 너무 오래 방치하게 되면 수명과 성능이 급격히 저하되는 특징을 가지고 있다.
2. 니켈카드뮴전지
니켈카드뮴 전지는 고출력이 가능한 전지로, 전동 공구 분야에서 널리 사용된다. 밀폐형 소형 니켈카드뮴 전지가 개발되면서, 이전에는 산업용에서 사용되던 2차 전지 시장이 휴대 전자기기 분야로 확대되는 데 큰 역할을 했다. 초기에는 균형 잡힌 성능으로 '만능전지'라고 불리기도 했지만, 현재는 카드뮴의 환경 문제로 인해 리튬이온 전지로 대체되고 있다.
3. 니켈수소전지
니켈수소전지는 카드뮴 대신 수소를 사용하여 만들어진 니카드전지의 다음 세대 제품이다. 니켈카드뮴전지와 비교하여 에너지 밀도가 두 배 가량 높은 특징을 가지므로, 휴대전화, 노트북, 핸디캠 등에서 많이 사용된다.
4. 리튬이온전지
리튬이온 전지는 현재 가장 광범위하게 사용되며, 이는 그 안정성과 성능 때문입니다. 이 전지는 고용량, 고출력에 수명이 길고 가벼우면서도 환경 친화적인 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특징은 리튬이온 전지의 광범위한 활용 분야를 가능케 합니다.
현재 2차전지의 주류는 리튬이온 배터리
리튬이온 배터리의 구조와 작동 원리
스마트폰, 태블릿 PC, 노트북, 무선 이어폰 등 많은 전자 기기를 휴대하며 사용하는 요즘이다. 이러한 전자 기기들은 대개 리튬 이온 배터리를 사용한다. 현재 리튬 이온 배터리는 배터리 시장에서 가장 인기 있는 제품이다. 그렇다면 이 배터리는 어떤 구조와 원리로 작동하는 것일까?
리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 양극에 있는 리튬 이온은 충전을 위해 음극으로 이동한다. 그리고 음극에 있는 리튬 이온은 방전을 위해 양극으로 이동한다. 이러한 과정에서 전해질은 리튬 이온의 이동을 돕고, 분리막은 양극과 음극이 서로 닿지 않도록 막아준다. 일반적으로 리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 이렇게 4가지 요소로 구성된다.
그럼 리튬이온 배터리의 4대 요소에 대해 세부적으로 알아보자.
양극재
양극재는 리튬이온 배터리에서 리튬이 들어가는 공간을 말한다. 리튬은 양이온이 되려는 경향이 강한 특성으로 인해 양극에 적합한 소재이다. 하지만, 원소 상태의 리튬은 불안정한 특성으로 인해 리튬과 산소를 결합한 리튬 산화물 형태로 사용되고 있다.
양극재는 배터리 성능에서 중요한 '용량'과 '전압'과 관련된 소재인데, 리튬 비중이 높을수록 '용량'이 커지고 양극의 전위차에 의해 '전압'에 영향을 준다.
양극재 관련주는 아래의 글을 참고하시길 바랍니다.
2차전지 리튬이온 배터리 양극재 관련주 TOP-10
2차전지 리튬이온 배터리 양극재 관련주에 대해 알아보기 위해 관련 기업 소개와 양극재 관련주 편입사유에 대한 정보를 공유한다. 현재 2차전지중 가장 많이 쓰이고 있는 배터리는 리튬이온 배
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음극재
음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장하며, 배터리가 사용될 때 리튬이온을 방출하여 외부 회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 한다.
음극재는 이온을 안정적으로 저장할 수 있는 흑연이 주로 사용되며, 배터리를 충전하고 방전하는 반복과정을 통해 흑연 구조가 변해 충전할 수 있는 리튬이온의 양이 줄어들어 배터리 수명이 단축되게 된다.
최근에는 실리콘 음극재 등 차세대 음극재 개발을 통해, 배터리 수명 연장을 위한 연구가 진행 중이다.
한편, 음극재 관련주는 아래의 글을 참고하시길 바랍니다.
2차전지 리튬이온 배터리 음극재 관련주 TOP-10
2차전지 리튬이온 배터리 음극재 관련 종목으로는 포스코퓨처엠, 대주전자재료, 애경케미칼, 이녹스, 한솔케미칼, 나노신소재, 엠케이전자, 동진쎄미켐, SKC, 원준 등이 있다. 2차전지 음극재 관
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전해질
전해질은 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 매개체이다. 전해질은 리튬이온 전도도가 높은 물질을 재료로 사용되며, 안전을 위해 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 한다.
전해질 관련주는 아래의 글을 참고하시길 바랍니다.
2차전지 리튬이온 배터리 전해질 관련주 TOP-10
2차전지 리튬이온 배터리의 4대 요소중 하나인 전해질과 관련된 종목으로는 엔켐, 켐트로스, 솔브레인, 후성, 천보, 동화기업, 덕산테코피아, 국전약품, 선바이오, 한농화성 등이 있다. 이번 포스
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분리막
분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하고 미세한 구멍을 통해 리튬 이온만 이동할 수 있게하는 역할을 한다. 분리막은 높은 전기절연성과 열안정성이 요구된다. 현재 분리막은 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)가 가장 많이 사용되고 있다.
분리막 관련주를 알아보실려면 아래 링크로 들어가시기 바랍니다.
2차전지 리튬이온 배터리 분리막 관련주 TOP-10
이번 포스팅에서는 2차전지 리튬이온 배터리의 4대 핵심소재 중 하나인 분리막과 관련된 종목에 대해 소개하고자 한다. 분리막이란 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하고 미세한 구멍을 통해
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리튬이온 배터리 4대 소재 시장 전망
지난 3월 에너지 전문 시장조사기관인 SNE리서치에서 리튬이온 배터리의 4대 소재 시장에 대한 전망치 리포트를 발간했다.
2025년 934억 달러(121조원)에서 2030년 1,476억 달러(192조원) 규모로 성장할 것으로 전망했다. 리튬이온 배터리의 4대 소재인 양극재, 음극재, 전해질, 분리막은 전체 배터리 시장의 70%를 차지하며, 이중 양극재의 경우 4대 소재 시장의 60% 이상을 차지한다. 양극재에 원자재인 리튬, 코발트, 니켈 가격이 반영되기 때문에 다른 소재에 비해 비중이 높은 것이다.
지난해 양극재 시장에서 한국의 에코프로비엠이 출하량 1위를 차지했고, 이어 유미코어(밸기에), XTC(중국), LG화학, 롱바이(중국) 순이다.
SNE리서치 전망치에 따르면 향후 중국 4대 소재 업체의 의존도가 매우 높아질 것으로 내다봤다. 참고로 작년 중국의 모든 업체가 생산한 4대 소재 비율은 양극재 60%, 음극재 84%, 전해질 72% 분리막 68%로 나타났다.
리튬이온 배터리의 한계
현재 가장 많이 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 우리에게 많은 혜택을 제공하고 있지만, 단점과 한계점도 가지고 있다.
1. 유한한 수명
리튬이온 배터리는 충전과 방전 과정에서 화학적 변화가 발생하며 이로인해 배터리의 성능과 수명이 시간이 지남에 따라 감소한다.
2. 화재 및 안전 문제
리튬이온 배터리는 과열, 과충전, 물에 노출될 경우 화재나 폭발의 위험이 있다. 안전장치 및 관리시스템이 필요하지만 안전 문제는 여전히 노출되어 있으며 차세대 배터리 개발이 필요한 중요한 이유가 되고 있다.
3. 에너지 밀도의 한계
리튬이온 배터리는 내연기관 자동차와 경쟁하기 위해 높은 에너지 밀도를 필요로 하지만, 현재로서는 리튬이온 배터리의 에너지 말도는 한계에 도달했다.
4. 충전시간
리튬이온 배터리는 완충하기 위해 상당한 시간이 걸린다. 빠른 충전기술의 개발은 현재 진행중에 있지만, 아직까지는 충전시간이 빠르지 않다.
5. 저온에서 성능 저하
리튬이온 배터리는 겨울철 등 저온 환경에 성능이 감소 될 수 있다. 이는 전기자동차의 주행거리 감소를 유발 할 수 있어, 저온에서 배터리 효율을 유지하기 위한 추가 기술이 필요하다.
차세대 배터리?
사실상 리튬이온 배터리는 혁신적인 기술이지만 현재 혁신의 한계에 다다랐다는게 업계의 의견이다. 최근 배터리 기술 발전이 더뎌 스마트폰이나 전기차산업 발전에 걸림돌이라는 평가까지 나온게 현실이다.
특히 리튬이온 배터리는 폭발 가능성을 갖고 있는 배터리라 위험성이 높아 차세대 배터리 개발이 더욱 필요한 실정이다.
현재 가장 유력한 다음 대안으로 거론되고 있는 배터리는 전고체 배터리이다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 에너지밀도가 높아 내연기관과 유사한 주행거리가 가능할 것으로 보이며, 폭발이나 화재의 위험성이 사라지기 때문에 다음 세대 2차전지로 거론되고 있다.
한편, LG에너지솔루션은 2025년부터 리튬황배터리 2025년~2027년 전고체 배터리를 상용화 할 계획을 밝힌 바 있다.
향후, 차세대 배터리를 향한 2차전지 산업의 경쟁이 더욱 심화될 것으로 보인다.
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