2차전지- 전해액의 모든 것. 이해부터 활용까지

테마별 산업 분석 - 2차 전지(3) 전해액의 모든 것

2차전지 전해액편 썸네일

리튬이온을 출근시켜주며 배터리 성능까지 높여주는 2차 전지의 숨은 핵심, 전해액

2차 전지 구조를 보면, 양 옆을 양극재와 음극재가 차지하고 그 사이 공간이 비어있습니다.

그 공간을 채우는 것이 바로 액체로 된 전해질, 전해액이라고 하는 것입니다. 

쉽게 말해 리튬 이온이 양극과 음극을 오가는데 이용하는 이동 수단의 역할을

전해액이 담당하는 것입니다. 

2차전지 핵심 구조

그럼 단순히 리튬 이온을 옮겨다 주는 역할만 하는가?

아닙니다. 리튬 이온의 이동 뿐 아니라 배터리 자체의 성능을 향상해 주는 역할도 하기에

전해액도 다른 배터리 부품(양극재, 음극재)처럼 중요하게 다뤄지는 것입니다. 

 

전해액의 구성과 핵심 용어들

전해액은 전해질 염 + 유기용매 + 첨가제로 이루어져 있습니다.간단히 용어들을 알아보면 이렇습니다.

 

● 전해질 염 = 염에 리튬 이온을 용해해 리튬이온을 이동시키는 재료입니다.                        

                      리튬염(LiPF6)라고 불리며 전해액의 45% 비중을 차지하고 있습니다.

● 유기용매  = 염에 리튬 이온이 용해될 수 있게 도와주는 재료입니다.

                      전해액의 25% 비중을 차지하고 있습니다.

● 첨가제     = 수명, 열 안정성 등 배터리 성능 개선을 위한 재료입니다.

                      전해액의 30% 비중을 차지하고 있습니다. 

그렇다고 구성요소만 맞추면 전해액을 생산할 수 있는 것도 아닙니다.

실제로 사용될만한 좋은 전해액들은 여러 조건을 만족시켜야 합니다.

먼저, 화학적 반응이 낮아야 합니다. 여러 화학적 반응에 민감하게 반응하게 되면

전해액의 기능을 잃거나 안정성의 문제가 발생할 수도 있습니다. 

또한, 많은 리튬 이온을 이동시키기 위해서 높은 이온 전도도가 필요합니다.

이온 전도도가 높다는 것 자체가 한 번에 많은 이온들을 옮길 수 있다는 것이니

2차 전지 성능과 밀접하게 관계가 있습니다.

마지막으로, 전기차에 들어가기 때문에 추위, 더위 등 극한의 날씨에도 견딜 수 있어야 합니다.

이러한 조건들을 모두 만족시켜야 비로소 2차 전지에 사용될만한 전해액이 생산되는 것입니다.

 

국내에서 전해액을 생산하는 기업들?

- 엔켐 : 세계 4위의 전해액 제조사입니다.

사실 전해액 사업 분야는 한국보다는 중국에서 대부분 선점하고 있습니다.

그렇기 때문에 우리나라 전해액 제조사들은 수출보다는 내수 시장(우리나라 회사)을 타깃으로 두고

제품 계약을 맺고 있습니다. 엔켐은 LG 엔솔, SK온, CATL 등에 납품을 하고 있습니다.

- 동화기업 : 삼성 SDI와 SK온에 납품하고 있습니다. / 솔브레인 : LG, SK, 삼성에 납품하고 있습니다. 

 

전해액의 성능을 결정짓는 전해질과 첨가제

전해액의 성능을 결정 짓는 것은 결국 구성물인 전해질과 첨가제입니다.

가장 대표적으로 알려진 전해질의 효과는

배터리의 수명 향상, 충방전 효율 개선, 저온 방전 억제 등이 있습니다. 

조금 더 깊게 보면 자세한 구성은 이렇습니다.

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LiPF6(리튬염) + LiFSI(F전해질) + LiPO2 F2(P전해질) + LiDFOP(D전해질) + LiBOB(B전해질)

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리튬염은 가장 기본적인 전해질입니다. 첨가제는 목적이나 약점에 따라 조절이 가능하지만, 

리튬염은 꼭 첨가되어야 하는 전해질이라 할 수 있습니다. 

그 이유는 양극 집전체인 알루미늄과 리튬 이온이 만나게 되면 부식의 위험이 존재하는데,

이것을 리튬염이 방지해 주기 때문입니다. 

리튬염의 종류는 대표적으로 4가지 정도가 있습니다

TDT = 배터리 수명 향상, 안정성 향상  /  VC = 배터리 수명 향상, 열화억제(핵심)

FEC = 배터리 계면저항 감소, 이온 전도도 증가 / D-2 배터리 수명 향상, 성능 개선

 

다만, 리튬염만을 사용하면 성능이 떨어지기 때문에 다른 첨가제와 섞어서 사용해야 한다고 합니다.

실제로 300회의 충방전 실험을 진행했는데,

리튬염만을 이용한 배터리의 충방전 능력은 60% 정도의 효율이 나오고,

F전해질을 첨가한 배터리의 충방전 능력은 80%가 나왔습니다.

첨가제의 비중은 전체의 5%가량이지만, 성능 개선 폭은 더욱 크기에 각광받고 있는 것입니다. 

우리나라에서는 후성이 이러한 리튬염 사업을 하고 있습니다.

추가로 얼마 전 포스팅한 에코프로에이치엔의 신사업 내용도

리튬염을 이용한 전해액 사업이었으니 유심히 지켜보시는 것도 좋을 것 같습니다. 

 

급등주 에코프로에이치엔 주가 파헤치기(기업편)

 

F, P, D, B와 같은 전해질은 각각 차이는 있겠지만, 공통적으로 출력을 높여주고,

배터리 수명 향상이나 저온 환경에서 과 같은 효과를 가지고 있습니다.

그렇기에 어떠한 특징들이 있는지만 정리해 보았습니다.

 

가장 중요한 첨가제로 불리는 F 전해질은 유의해서 볼만한 정보가 있습니다. 

양극재의 트렌드라고 불리는 하이니켈 양극재는 문제점이 하나 있습니다. 바로 열화현상입니다.

열화현상은 니켈의 비중을 과도하게 높였을 때 잔류 리튬이 발생하여 생기는 현상입니다. 

이 잔류 리튬이 전해질과 반응하여 가스를 발생시키고, 양극재에 축적되어 이동을 방해하게 

되어 결과적으로 배터리 성능 자체를 떨어뜨리게 되는 것입니다. 

리튬염 중에 VC가 열화현상을 억제하긴 하지만 리튬염만으로는 효과가 떨어지기 때문에

F 전해질을 첨가하여 확실하게 이것을 방지할 수 있습니다. 

또한, 이번 테슬라 인베스트 데이 때 발표한 바로 LFP 양극재의 비중을 높인다고 합니다. 

LFP 양극재는 단점이 에너지 밀도가 낮다는 점입니다.

그래서 이온 전도도를 높여주는 특수한 전해질이 필요한데, 그것이 바로 F 전해질입니다.

거기다 LFP 양극재는 전해액을 많이 소모하기 때문에 F 전해질의 첨가량 또한 같이 

상승할 것으로 예측됩니다.

 

그 외의 전해질로

P 전해질 = 1~2%의 소량 첨가제 형태로 사용(그래도 배터리 성능 개선에 크게 기여)

                  전해질의 분해속도 저하 / 음극의 산화 방지 효과

D 전해질 = 5% 정도 첨가(첨가제 비중 중에) / 일본의 독점 생산이었지만, 천보가 기술제휴

B 전해질 = 망간, 니켈, 코발트의 용해 억제(양극재 성능 저하 방지)

등이 있습니다.

 

우리나라 전해질 사업 점유율 정도

현재, 전해질은 모두 천보가 생산한다고 생각해도 좋을 만큼 우리나라 2차 전지 시장에서

큰 점유율을 보유하고 있습니다. 

하지만, 아까 언급된 에코프로에이치엔이나 덕산 테코피아와 같은 경쟁사들이 계속 

시장에 투자를 하고 있습니다.

덕산 테코피아 같은 경우 작년부터 전해질 양산 공장을 설립하여 올해 3분기부터 본격적 양산을

계획 중이라고 합니다. 

그렇기 때문에 전해액이나 전해질 관련주를 사고자 한다면, 천보가 가장 매력적이겠지만,

경쟁사의 동향도 지속적으로 확인해 가며 매매하시는 편이 좋을 것 같습니다. 

 

참고하면 좋을 자료들

 

2차전지 - 양극재의 모든 것. 이해부터 활용까지

전지전능한 전지 이야기 - 전기차 배터리용 전해질 첨가제 - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE

  

읽어주셔서 감사합니다.