2차전지 - 양극재의 모든 것. 이해부터 활용까지

테마별 산업 분석 - 2차 전지(1) 양극재의 모든 것 

2차전지 양극재편 썸네일

2차 전지, 저평가인가 과열인가?

 에코프로, 포스코 그룹, 금양 등은 근래 급등주를 분석하면서 쉽게 접할 수 있는 기업이었습니다.
상한가는 물론 원래 주가의 2배 이상 오른 종목들도 빈번합니다.
이들의 공통점은 2차 전지, 배터리 관련주라는 것입니다. 대기업, 중소기업 시총과 관계없이 관련만 있다고 하면
주가가 급등하는 이러한 사태에 대하여 왜 이토록 2차 전지에 사람들은 열광하고 수많은 돈이 모이게 되는지에 대해
분석해 보았습니다. 
 

2차 전지의 기본부터 

기존의 건전지는 한번 사용하면 버려야 하는 1차 전지로 분류됩니다.
하지만 2차 전지는 양극과 음극을 이동하며 충전을 하여 지속적으로 사용할 수 있다는 점이 핵심입니다. 

2차전지의 핵심 구조

 양극에는 리튬이 존재합니다. 여기서 양극의 리튬이 이온화하여 리튬 이온과 전자가 음극으로 이동하는데,
이때, 전자가 이동하며 에너지를 생성하고, 모터를 돌리는 것입니다.
쉽게 말하자면, 금속들은 원래 전자를 가지고 있습니다. 이 전자는 에너지(전기)를 생성할 수 있는 요소입니다.
이온화라는 것은 가지고 있던 전자를 버리고 전자를 보유하지 않고 있는 이온의 상태가 되는 것입니다.  
이온화된 리튬과 전자는 양극과 음극을 왔다 갔다 하며 생성한 에너지로 모터를 돌려 전기가 만들어지는 것입니다.  
 

배터리의 심장, 양극재

 2차 전지의 핵심 구조에서 보이는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 이 4가지가 2차전지의 핵심요소입니다.
우선, 배터리의 심장이라고 불리는 양극재는 그림 상의 양극에 해당하는 부분이며, 이온화가 되기 전의
리튬이 들어가는 공간입니다. 배터리 원가의 40%를 넘게 차지하는 핵심 부분이라 심장으로 불리고 있는 것 같습니다.  
리튬이라는 단어가 자주 등장하는데, 리튬은 원자 번호 3번인 알칼리성 금속으로 "수헬리" 중 "리"를 담당하고 있습니다. 
양극재의 소재로 리튬이 적합한 가장 큰 이유는 전자를 잃고 이온화되려는 성질이 강하기 때문입니다.
양극에서 음극으로 가며 전자가 분리되어야 에너지를 생성하는데, 조금만 조건이 맞아도 바로 전자를 내어주는 게 리튬이라 필수적으로 사용하고 있는 것입니다. 또한, 양극재가 중요한 이유는 배터리의 용량과 전압을 결정해 주기 때문입니다. 
알기 쉽게 전기차의 주행거리와 성능을 결정짓는 것이 이 양극재입니다. 
 
조금 더 양극재에 대한 내용을 깊게 들어가 본다면, 

양극재의 구성 요소와 리튬 이온전지

양극재는 전구체와 리튬을 붙여 만드는 것입니다. 
이때, 전구체는 양극재가 되기 전 양극재의 핵심 원료가 되는 혼합물을 의미하는데,
니켈, 코발트, 망간, 알루미늄이 대표적인 전구체의 재료들입니다.
이러한 금속들을 녹여 하나의 물질로 섞으면 이것이 전구체가 되는 것입니다. 다만, 각각의 금속의 비율이나 
혼합 방법 등 섞는 방법에 따라서 각자 다른 성능을 지닌 전구체가 나오기 때문에 이에 따라 양극재의 성능이
달라지게 됩니다. 그래서 많은 기업들이 여러 가지 연구를 통해 상황에 가장 알맞은 전구체를 개발하고자 노력하고 있습니다. 우리가 흔히 아는 에코프로비엠, 포스코 케미컬 등이 이러한 전구체로 화제가 된 것입니다. 
더욱, 전구체가 양극재 원가의 70%를 차지하기 때문에 양극재의 심장이라고 생각할 수 있습니다.
현재 전구체는 중국에서 가장 많은 점유율을 차지하고 있기에 우리나라 기업들이 눈에 불을 켜고 연구하고 있는 분야라고 할 수 있습니다. 
 

양극재의 종류(양극재의 종류를 알면 왜 주가가 오르는지, 어떤 비전이 있는지를 정확하게 알 수 있습니다.)

양극재에 쓰이는 금속 원소(전구체의 재료가 되는 금속)는 각각 지닌 특징이 있습니다. 

리튬 코발트 산화물
가장 기본이 되는 양극재는 (리튬) + 코발트 + (산소)로 이루어진 리튬 코발트 산화물 = LiCoO2(들어가는 재료를 그냥 원소기호로 표시한 것)입니다. 리튬과 산소를 ()로 표시한 이유는 모든 양극재는 리튬과 산소를 기본적으로 포함하는 것이기에 괄호에 넣었습니다.
그렇다면, 위의  LiCoO2는 다른 것들에 비해 코발트만 들어갔다고 해도 무방합니다.
이것의 특징은 당연히 안정성과 수명이 높다는 것입니다. 코발트 하나만 넣었기에 만드는 방법도 쉽고,
안정성과 수명이 보장됩니다. 
하지만, 이렇게 생산하면 리튬의 50%의 성능이 저하되어 배터리 용량 자체가 감소하게 됩니다. 
배터리 용량이 감소하는 것은 결국 많은 전기를 요구하는 전기차에는 사용하지 못하게 된다는 의미와 같습니다. 
또한, 코발트의 가격은 다른 금속에 비해 비쌉니다.
이는 양극재 자체의 원가를 비싸게 하기 때문에 상대적으로 덜 쓰이는 소형 스마트폰 같은 곳에만 사용하고 있습니다. 
 
중국 BYD(비야디 중국 전기자동차 업체)의 리튬인산철 배터리
두 번째, 중국 BYD의 양극재는 (리튬) + 철 + 인산 + (산소)로 이루어진 리튬 인산철 배터리 = LFP입니다. 
LFP 배터리는 코발트에 비해 아주 저렴한 철과 인산을 사용해 만든 것입니다.
거기다 올리빈 구조(크리스털 형태의 육면체들이 유기적으로 연결된 격자구조)라고 하는 안정적인 구조를 이용하여 
안정성과 수명까지 높였습니다. 여기까지 들으면 아주 이상적인 배터리처럼 보일지도 모릅니다.
하지만, LFP는 저렴한 양극재 소재를 이용해 만들었기 때문에 에너지 밀도가 낮다는 큰 단점이 있습니다. 
에너지 밀도가 낮다는 것은 무게는 무겁지만 주행거리가 그리 길지 않다는 점입니다. 
그래서 LFP 배터리를 사용하고자 한다면, 에너지 밀도를 향상해야 한다는 숙제가 남아 있습니다. 
 
니켈-코발트-망간 배터리
한국에서 가장 자신 있게 말할 수 있는 양극재는 니켈(80) + 코발트(10) + 망간(10) + (리튬) + (산소)로 이루어진
니켈-코발트-망간 배터리 = NCM입니다.

니켈의 비율이 높은 것에서 알 수 있듯이 에너지 밀도가 높아 장거리 자동차에도 적용 가능합니다. 
당연히 소형, 중대형 차량에 모두 사용할 수 있습니다. 
그 외에도 코발트와 망간을 사용하여 안정성과 수명을 높인 양극재입니다.
이것은 다른 양극재와는 달리 세 개의 양극재를 조합한 삼원계 배터리이기 때문에 쉽게 제작할 수 없어 
경쟁사들에게 진입장벽이 있습니다. 
주요 제조사로 한국은 포스코 케미컬, 에코프로비엠, 엘앤에프, LG화학, 코스모 신소재 등이 있습니다. 
이번 2차 전지 파동에 큰 기여를 한 기업들이 다수 포함되어 있습니다. 
 
니켈 - 코발트 - 알루미늄 배터리
마지막은 니켈 + 코발트 + 알루미늄을 혼합하여 양극재로 만든 니켈-코발트-알루미늄 배터리 = NCA 입니다.
처음 금속 원소들의 특징에서 알 수 있듯이 이 배터리는 알루미늄을 통해 고출력에 강점을 보이는 배터리입니다.
다만, 망간이 빠져 NCM에 비해서는 안정성이 떨어진다고합니다.
그래서 NCA는 드릴이나 진공청소기와 같이 고출력을 요구하는 가전 제품이나 전동 공구에 주로 사용되고 있다고합니다.
현재는 고출력과 안정성이라는 조건을 모두 만족시키기 위해서 양극재에 한 가지 원소를 더 결합한 사원계 배터리에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다고합니다.
 

(인포그래픽#9) 양극재NCM - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE

 

(인포그래픽#10) 양극재NCA - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE