2) 음극(-) : 전류를 흐르게 함, 양극에서 온 리튬이온을 저장/보관, 방전시 저장되어있던 리튬이온이 양극으로 이동하면서 '전류를 흐르게' 해주며, 이때 '전기'가 발생, 흑연
3) 분리막 : 양극과 음극 사이의 미세한 분리막, 미세한 구멍을 통해 리튬이온이 양극↔음극 이동하게 해주며, 폭발 방지를 위해 양극/음극의 접촉을 막는 격리막 역할 수행
4) 전해액 : 리튬이온의 이동을 가능하게 하는 중간 매개체 -> 리튬염
- 전고체 배터리의 경우, 상용화 시점은 '27~'30년 사이가 될 것이며 그 이전까지는 리튬이온 배터리가 대세! ex) OLED가 LCD보다 우수하지만, 아직까지 시장 점유율은 2%대로, 기술이 우수하다고 반드시 시장의 주력이 되는 것은 아님
- 현재 시장에서 주목하고 있는 부분은 '리튬 배터리 첨가제 시장'
- 배터리 3대 소재의 개발방향
1) 양극재는 High-Nickel의 양극화 물질 + CNT(Carbon nanotube) 첨가를 통해 -> 에너지밀도 향상 목표
2) 음극재는 기존 흑연물질 + 실리콘 음극활물질을 섞는 형태 -> 리튬이온 저장용량 향상, 충전시간 개선
3) 전해액은 범용전해물질과 타전해물질의 Mix를 통해 -> 배터리 수명, 저온성능 및 충/방전 효율 개선
3. 배터리 성능 개선에 필요한 첨가제 시장 확대 가능성에 주목
- 지금의 리튬 배터리 구조가 당분간 크게 변화하지 않는다면 이제는 적극적으로 첨가제를 사용해 에너지 밀도를 극대화하는 방향으로 기술발전이 전망됨
- 첨가제의 종류 3가지
1) 실리콘 음극활물질 : 음극제에서 기존 흑연 + 실리콘 음극활물질 : 에너지 밀도 향상, 충전시간 개선!! (★★★★★) -> 단점 : 기존 흑연소재 대비 부피 팽창이 큼
2) CNT 도전재 : (1) 양극재에서 기존 도전재인 카본블랙을 대신해 CNT 도전재를 사용할시, 전자이동도가 높아 도전재 사용량을 1/5 수준으로 줄일 수 있음 -> 남는 공간에 양극화 물질을 추가적으로 투입해, 에너지밀도 상향, (2) 음극재에서는 실리콘 음극활물질의 단점을 보완 -> 보완재 역할로 실리콘 음극재의 팽창을 잡아주는 효과
3) 전해질 : 배터리 수명 향상 및 저온 성능 개선의 효과 기대
(주) 첨가제 각각에 대한 상세 설명 및 이론적 배경을 다루는 파트 3) 배터리 성능을 향상시키는 3가지 마법의 가루 관련은... 다음시간에 계속하겠습니다. 문돌이가 알아듣기에는 너무 어렵네요 ㅠㅠ 참고하시라고, 배터리 부문 Value Chain 첨부합니다.
(주) 몇차례 밝혔다시피, 2차전지/반도체 부문에 직접적인 관심을 가지게 된 동기는 '애플'의 전기차 출시 관려 루머입니다. 막연하게, 언제 전기차가 상용화되겠어, 이게 산업에, 경제에 무슨 영향을 미치겠어? 라며 관심을 두지 않았던 분야에 '애플'이 진입하려 한다는 이야기는 신선한 충격이었습니다. 그 후 '전기차-2차전지-반도체'의 3가지 섹터가 밀접하게 연관이 되어있다는 확신이 들면서, 본격적으로 소위 말하는 주식 공부를 시작하게 되었습니다. 이 리포트는, 2차전지에 관심이 있다면 꼭 읽어보라던 회사 동기형의 조언을 받아, 스터디하게 되었습니다. 내용이 전문적이고 깊어, 초보자인 제가 한번에 소화하기가 힘들어, 3~4편에 걸쳐서 정리해야할 것 같습니다. 다만, 처음 접하는 내용인 만큼, 글 중간 중간에 오류가 있을 수도 있습니다. 주의 부탁드립니다.
[1] 배터리 기술에서도 First Mover인 테슬라
1. 테슬라 '배터리 데이'가 기다려지는 이유
- 전기차 배터리는 차량 가격의 1/3가량을 차지하는 핵심 부품, 전기차의 주행성능 = 배터리 성능
-> 제한된 공간내에서 최대한의 성능을 낼 수 있도록 단위부피당 높은 용량을 구현하는 것이 관건이며, 수명이 길어야하고, 운행 중 발생할 수 있는 충격뿐 아니라 고온/저온에서도 높은 안정성을 보여야함
- 테슬라가 배터리사업을 수직계열화해서 경쟁사보다 기술/연구개발에 적극적인 목표는 명확함
-> '차세대 저비용 고성능 배터리'의 '대량생산' -> 배터리 셀 가격을 내연기관차의 Price Parity(균형가격)로 알려진 $100/kWh로 달성하는 것이 선결과제
-> 이를 위해 기존 기가팩토리(Giga Factory)보다 큰 테라팩토리(Tera Factory)를 구축할 것으로 보임
- 테슬라의 Roadrunner 프로젝트는 독자적인 배터리 셀 양산 기술 확보를 위한 테슬라의 프로젝트로 1) 원가절감, 2) 에너지밀도 개선, 3) 내구수명 향상 등이 목적
-> '19.5월 Maxwell Technologies라는 배터리 생산업체를 인수했는데, Maxwell은 '건식전극 코팅 방식' 기술을 보유 중
-> 건식전극 코팅 방식은 기존 습식방식 대비 1) 에너지 밀도를 200~250Wh/kg → 300Wh/kg까지 높일 수 있고, 2) 2배의 수명개선효과, 3) Solvent(용매) free 공정을 통해 생산성을 크게 높여, 원가절감 효과가 큰 것으로 분석됨
-> 또한 중국 CATL과의 협업으로 LFP(리튬인산철) 배터리로 1) 가격경쟁력, 2)장수명(100만 mile) 확보, 부족한 주행 성능은 CTP(Cell-To-Pack) 기술로 극복하려고 함
2. 테슬라, 한 번 충전으로 서울에서 제주도 까지 간다.
- 전기차 주행거리를 늘리기 위한 방법은 3가지로 구분됨, 1) 차량에 탑재되는 배터리 에너지 밀도의 개선, 2) 자동차 경량화, 공기저항계수의 감소, 3) 소프트웨어적인 회생 제동 시스템 변경
- 테슬라는 기존 완성차 OEM 업체들 대비 월등히 높은 주행거리 성능을 지니고 있음
-> '21년에 Model S를 첫 출시한 테슬라는, 8년만에 배터리용량을 60kWh → 100kWh, 주행거리를 335km → 647km 까지 끌어올림 <-> 비테슬라 진영은 아직 400km 전후 영역대에 머물러 있음
-> 또한 배터리 가격도 대량생산에 적합한 원형배터리를 탑해하고 있어, '16년 $230/kWh → '20년 $127/kWh를 달성 <-> 비테슬라 진영은 $293/kWh → $156/kWh 달성
# 비테슬라 진영은 최대 주행거리를 500km 이상 확보하고, 배터리 가격을 $100/kWh 이하로 낮춰야 할 것
3. 테슬라 로보택시의 선결 과제, 100만 mile 배터리
- 테슬라는 배터리 수명 측면에서도 한발 앞서고 있음
-> 100만 mile(160만 Km) 배터리 구현 위해 1) 불순물 없는 단결정 NCA 양극재를 적용하거나, 2) CATL의 LFP 배터리 기술을 활용할 가능성 높음
-> 일반소비자는 10~20만 Km에서 차량을 교체하겠지만, 테슬라가 원하는 것은 '로보택시' 사업
: 100만 mile 배터리와 완전 자율 주행 기술을 통해 로보 택시 서비스 사업을 시작할 계획
1) Auto Pilot 모드에서 30억 mile 이상을 주행하며 인공지능 기반 Neural 네트워크를 통해 데이터를 누적 중
2) 자체 개발한 FSD(Full Self Driving)컴퓨터 장착 -> 이때 갑툭튀 삼성전자의 14nm FinFET 공정, HW 2.5, HW 아키텍쳐 적용, 삼성전자 엑시노스(Exynos SOC) 및 ARM A72 Core(12 Core) 기반 CPU(2.2GHz)를 메인프로세스로 채택
-> 동작속도는 36TOPS(1초당 1조회 부동소수점 연산 처리 가능 성능)이며, 쌍방향 Neural 네트워크롤 총 72TOPS 구현이 가능해 2개의 칩으로 테슬라가 완전 자율주행의 필요조건으로 설정한 144TOPS 달성 (무슨소리인지...ㅠㅠ)
- 100만 mile 배터리 구현 방법은 크게 1) 단결정 NCM/NCA 양극재를 사용해 배터리 성능을 향상시키는 것, 2) CATL의 LFP 기술을 활용, 1회 충전시의 주행거리는 조금 낮지만, LFP 배터리가 가지는 장수명/원가 경쟁력의 장점을 취하는 것
1) 현재 상용화된 양극재는 대부분 다결정 구조 -> 배터리 사용 과정에서 다결정 양극재는 각종 부반응(Side reaction)을 일으켜서, 배터리 효율이 감소됨
-> 단결정 양극재는 부서지는 잔해물과 불순물이 없기 때문에, 1) 수명향상, 2) 에너지 밀도 증가, 3) 가공비 절감등의 효과 기대 + Maxwell의 '건식자극 코팅 공정' 도입시, 추가적인 원가 경쟁력까지 확보 가능 전망
# 테슬라는 최근 '니켈-코발트-알루미늄 전극 합성법'이라는 특허 출원 -> 효율적인 가열공정을 통한 단결정 NCA 구조 조성 방법에 관한 것
2) 테슬라 - 중국 CATL 협업을 통한 LFP 기반 100만 mile 배터리 개발 -> but, LFP 배터리는 NCM/NCA 대비 에너지 밀도가 낮지만 <-> 화학정 안정성과 저비용, 장수명의 장점이 매력
# 리튬이온 배터리의 양극재는 전체 재료비의 30~35%를 차지하는 핵심소재로
-> 사용된 금속염의 구성성분에 따라 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP 등으로 구분, 2) 격자 구조에 따라 층상(Layered), 스피넬(Spinel), 올리빈(Olivine)으로 나뉨
-> 층상구조는 LCO, NCM, NCA : 넓고 평평한 층간 사이에 많은 양의 리튬이온 보관가능, 에너지 용량이 높다는 장점, but 고전압 충전시 안정성이 떨어진다는 단점
-> 스피넬 구조는 LMO : 가격이 낮고, 격자구조가 이쳅적 형태를 가져 안정성이 높음, but 에너지 용량이 작고, 충방전이 계속될 수록 용량 및 수명이 저하된다는 단점
-> 올리빈 구조는 LFP : 층상구조에 비해 격자 구조 안정성이 높고, 방전시 리튬이온이 빠져나가도 결정 구조가 손상되는 현상이 적어, 수명 안정성이 높다는 특징, 또한 고가의 코발트 금속대신 저가의 철을 사용해 경제적인 측면에서도 유리, but 리튬이온의 확산속도가 늦고(?), 전압이 3.2V로 3.6~4.0V의 다른 리튬이온 전지보다 에너지밀도가 낮음
- 지금까지 LFP 배터리의 문제점은 전기차에 사용되는 NMC, NCA 배터리보다 에너지 밀도가 훨씬 낮다는 것
-> CATL의 LFP 배터리의 에너지 밀도는 160~190Wh/kg 수준에 도달하기 시작했고, '21년도에 200Wh/kg 도달을 목표
-> 하지만 동일 로드맵으로 볼때, NCM/NCA의 배터리는 300Wh/kg 달성 전망 but, LFP는 가격이 저렴하다!
# NCM 셀가격은 $130/kWh, LFP 셀가격은 $100/kWh 수준으로 약 30% 저렴
-> 현재 시판중인 전기차의 배터리 에너지 밀도는 약 200Wh/kg으로 LFP 또한 크게 떨어지는 것은 아님, 이러한 에너지 밀도 보완 위해 CTP(Cell-To-Pack) 전환 효율을 기존 70% → 80~85%로 높여, 배터리 팩기준 배터리 탑재 용량을 극대화 시킬 것으로 보임
-> 모듈을 제거하고, 셀을 팩에 직접 넣을 경우, 공간 활용도가 높아져, 동일 차량에 탑재되는 배터리의 에너지밀도를 기존 대비 10~15% 증가시킬 수 있음 -> LFP 배터리는 내열성과 안정성이 높아, 상대적으로 냉각 장치 및 패키징에 필요한 부품수를 줄일 수 있어, CTP 적용에 유리
(주) 2차 전지에 대한 기초 지식이 아무것도 없는 상황에서, 이해하기가 상당히 힘들었던 내용들이 많았습니다. 사실 아직까지도 수박 겉핥기 수준으로 밖에 이해를 못하고 있지만, 차근 차근 기본 그림을 그리는 시간으로 생각해야 할 듯합니다. 와이프님의 명으로 테슬라 주식을 일부 보유하고 있지만, 단순 전기차 회사 -> 자율주행 등의 신규 플랫폼 회사 -> 2차 전지 회사로 보일만큼, 테슬라에 대한 이해도(?) 점점 늘어가고 있습니다.
