2차 전지 Study – Part 1
2차전지, 종류, 제조공정, 역사,` 4680 배터리
2차 전지 Study – Part 1
1. 2차 전지의 종류(성분)
① LFP(리튬·인산·철)
② NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트· 알미늄)-삼원계
- LFP, NCM, NCA를 통틀어 리튬 이온 2차 전지라고 함, 전부 리튬이 들어감
- 리튬이온 2차 전지
전지가 충방전 되는 정상적인 조건 리튬이 금속상으로 존재하는 것이 아니라 이온으로 존재
③ NCMA(니켈·코발트·망간·알미늄)
- LG화학에서 별도로 브랜드화시킨 삼원계 배터리
2. 2차 전지의 종류(모양)
① 소형 원통형
② 중대형 각형(하드케이스)
③ 파우치형
- 크게 원통형이냐 각형이냐 그리고 파우치는 메이커형으로 별도 개발
- 각형은 하드케이스로 인한 부피가 커져서 모듈을 거치지 말고 만들어 보자 - CTP(cell to Pack)
3. 2차 전지의 제조공정 운용 방식
① CTP(cell to Pack)
- 셀투팩은 LFP의 안정성을 바탕으로 모듈 단계에서 배터리 cell을 Pack 형태로 제작
- LFP를 CTP 형태로 제작하여 실용화
- LFP의 최대 단점인 공간 활용에 최적화
② C2C(Cell TO Chassis) or 셀투바디(CTB; Cell to Body)배터리
- CTP(cell to Pack)업그레이드
- 배터리셀 자체를 차량 바디에 통합시키는 기술로 테슬라가 배터리데이에서 발표
- 배터리를 자동차 뼈대 안에 들어가는 부속품(구조물)형식으로 쓰는 방식으로 안정성은 유지하며 무게를 줄일 수 있다는 장점
- 전기차 원가의 30~40%를 차지하는 배터리 내재화를 추진하기 위해 2170 배터리보다 큰 용량의 4680 배터리(지름 46mm x 길이 80mm)생산을 준비 중
- 셀투팩 기술은 셀→모듈→팩 순으로 이루어지는 기존 구성에서 모듈의 비중을 낮춰 최대한 셀에서 팩으로 직접 연결되는 설계를 지향한다. 배터리팩 내부에 모듈이 개별로 분할되면 나눠진 모듈 수 만큼 추가적인 부품과 전선이 필요해 무게와 가격 모두 증가한다.
- C2C는 2차 전지의 가장 단점인 공간 활용적 측면에서 죽은 공간을 살릴 수 있음
- 테슬라 원통형 4680 배터리 개발 중
- CTP(cell to Pack)나 C2C(Cell TO Chassis)는 양극제 물질과는 관계없음 LFP, NCM에서 어떻게 개발하느냐의 문제
③ 테슬라 원통형 4680 배터리
- LFP를 기반으로 한 원통형 배터리
- 4680 배터리는 지름 46mm, 길이 80mm의 원통형 배터리로 기존 2170(지름 21mm,
길이 70mm) 대비 용량 5배, 출력 6배가 개선된 차세대 제품이다.
- 파나소닉과 협력해 2024년 3월 개발완료 예정
- LG엔솔에서 지금부터 개발
- 원통형 배터리는 공정이 단순해 셀 간의 품질이 균일하고 양산성이 가장 높다는 장점이 있다. 높은 생산성이란 장점은 지키고, 중대형화를 통해 에너지효율이란 단점을 보완한다는 전략
4. 2차 전지 역사
① 소니 에너지텍에서 처음- 리튬이온 2차 전지 명명
② 양극화 물질을 테슬라에서 쓰기 전에 중국 값싼 양극화 물질로 인식됨
③ 90년대 초반 - 코발트 기반으로 한 리튬 코발트 옥사이드
④ 차세대로 개발 - 코발트를 쓰지 않고 니켈 망간을 쓰려고 연구
- 그러다가 궁극의 원소로 생각한 것이 철 (Fe)
- 우리나라 하이니켈(니켈 90%) 코발트 니켈 망간 양극화 물질을 우리나라에서 씀
- 철을 기반으로 하는 연구를 90년대에 연구했냐고 의아해 함
⑤ 리튬 아연 옥사이드 리튬 망간, 리튬 니켈 옥사이드 전부 양극화가 제대로 혼합이 되지 않으며 화재의 위험
⑥ 소니에너지텍 리튬 코발트 중심의 전지가 모바일 건전지를 평정함
⑦ 리튬 아연 옥사이드 합성 불가로 포기했다가 2000년 들어 리튬 아연 코스베이트 LFP- 미국에서 찾아냄, 상용화까지 들어갔지만 에너지 밀도가 떨어짐
LFP(인산철)
- 삼원계쪽 보다 10~20% 에너지 밀도가 떨어짐
- 그것으로 인해 저가형 전지로 낙인
※ 그럼 왜 철 기반에 양극화 물질 2차 전지를 테슬라에서?
- 소형전지를 IT에서 쓰다가 테슬라가 불을 지피기도 하고 ESS (에너지 저장 장치)로 쓰이는 등 2차 전지 대량소비시대로 전환이 됨
- 니켈 코발트 전지로 소화가 되지 못함
⑧ 우리나라는 철을 기반으로 한 LFP를 하대함
⑨ 코발트를 기반으로 양극화 물질을 기반으로 하다가 대체할 니켈을 중심으로 하려고 했으나 둘다 자원이 한정적이고 원재료 값으로 인한 부담감으로 문제가 발생
- 코발트- 니켈- 리튬 순으로 구하기도 힘들고 자원도 한정적임 (리튬은 생각보다 많음)
- 철을 기반으로 하는 LFP(인산철)이 커지기 시작하니까 리튬에 대한 수급에 대한 문제가 발생
⑩ 이것을 대체하기 위해 SRB 소듐(나트륨)이온 배터리
- SRB 소듐(나트륨)이온 배터리
– 리튬보다 흔한 나트륨을 기반으로 한 배터리
- 중국 배터리업체인 CATL이 나트륨이온(NIB) 배터리를 만들어 상용화 하겠다고 발표
나트륨이온 배터리가 리튬인산철(LFP) 배터리에 비해 에너지 밀도는 약간 낮지만 저온 성능과 충전 속도가 빠르다고 말한다. 구체적으로 배터리의 80%를 15분 만에 충전할 수 있으며, -20″C 이하의 낮은 온도에서도 에너지 밀도를 90% 이상 유지할 수 있다고 한다. - 출처 : 전자부품 전문 미디어 디일렉
⑪ 삼원계 시장에서 LFP로 배터리 시장이 자동차 뿐만 아니라 어마어마하게 늘어남, 그렇다면 삼원계는 하이엔드급으로 자리를 잡고 LFP로 대체할 수 있는 시장이 광범위하게 늘어날 수 있음 (Ex LG엔솔 – ESS를 LFP로 개발하겠다)
결론
- 리튬이온 소니가 개발
- 양극제 물질은 테슬라로 각광
- 2000년대 철을 기반으로 한 LFP 개발
- 배터리는 삼원계, LFP 양분화
- LFP에도 삼원계도 기본은 리튬
- 이것을 대체하기 위해 SRB 소듐(나트륨)이온 배터리
5. 테슬라 원통형 4680 배터리
① 4680은 초고속 배터리 양산이 중점 (2170 생산성에 7배를 목표)
② 테슬라 배터리데이에서 강조한 중점 포인트
③ 각형 배터리에서 원통형 전지 시장으로 바꾸는 데 견인한 건 테슬라
④ 초창기 테슬라가 원통형 1865를 선택한 이유
- 생산성이 높다는 점
- 셀 간의 편차가 파우치 전지보다 작음
⑤ 1865, 2170 보다 4680으로 업그레이드 되면서 에너지가 커짐 (사이즈가 커짐 에너지 밀도가 높아지는 것은 아님
⑥ 테라팩토리
현재 테슬라의 모델3와 모델X, Y 등을 생산하는 공장은 기가팩토리이다. 배터리 전력량 단위를 '테라(terra)'로 올림에 따라 전기차 배터리 생산량과 효율을 혁신적으로 향상시키겠다는 선언, 1테라와트(terawat)는 1조watt(와트)에 해당하며 기가와트의 1000배에 해당한다.
⑦ 4680 배터리의 양극화 물질은 NCA를 기반, LG엔솔은 NCMA
