이차전지 배터리 관련주 투자포인트 및 리튬이온배터리의 현재 연구방향을 알아보자.

전기차에 대한 관심이 뜨거워지면서 이차전지관련 투자가 뜨거워지고 있다.

요즘 이차전지의 연구방향은 어디로 가고 있으며, 어떤 분야가 떠오르고 있는 지 확인해보자

 

이차전지란?

우리가 흔히 알고 있는 건전지 등 한번 쓰고 버리는 전지는 일차전지라고 한다. 이차전지는 일회용이 아닌 충/방전이 가능한 전지로, 우리가 아는 충전/방전해서 쓰는 전자기기에는 모두 이차전지가 들어가 있다고 보면 된다.

 

상용화되고 있는 이차전지

우리의 휴대폰, 블루투스 이어폰, 테블릿 등에는 리튬이온배터리 라는 이차전지가 주로 쓰이고 있다. 

회사마다 다르겠지만, 양극은 리튬니켈코발트망간 , 리튬니켈코발트알루미늄이 쓰이며, 음극에는 흑연, 그리고 흑연 +Si계 복합물이 쓰이고 있다.

 

양극 point

 

1.

 

우리나라의 큰 양극회사는 포스코케미칼, 에코프로 등이 있다. 양극을 이루는 원소 중 니켈의 함량을 높여 양극의 용량 증진을 목표로 연구하는 경우가 대부분인데, NCM(니켈코발트망간)의 경우 니켈 80%를 넘어 90%까지 high nickel 혹은 Ni-rich system을 만드는데에 주력하고 있다. high nickel로 가면서 생기는 단점 중 particle에 생기는 microcrack을 예로 들 수 있는데, 이는 현재 연구되고 있는 바로, polycrystal particle에서 single crystal particle로 변환하면 다소 개선이 된다고 전해지고 있다.(물론 single crystal도 bulk에서의 리튬이온확산속도가 느린 등 문제점이 없는 건 아니다.)

 

Cha, H., Kim, J., Lee, H., Kim, N., Hwang, J., Sung, J., Yoon, M., Kim, K. and Cho, J., 2020. Boosting reaction homogeneity in high‐energy lithium‐ion battery cathode materials.  Advanced Materials ,  32 (39), p.2003040.

 

 

2.

 

기존에 상용화되고 있는 NCM(니켈코발트망간),NCA(니켈코발트알루미늄) 말고 리튬인산철로의 전환이 테슬라의 CEO인 엘론 머스크에 의해 대두되고 있다. 물론 안쓰는데엔 이유가 있는 게 작동전압구간이 낮고, NCM,NCA보다 용량이 작다. 하지만, 값이 싸고, 수분에 안정하다는 점이 엘론 머스크에겐 크게 다가왔던 것 같다. 수분이 안정하다는 건 생각보다 큰데, NCM,NCA 특히 니켈의 함량이 높을 수록 수분에 굉장히 취약하여 따로 drying room에서 전극제조가 이루어져야 할 정도라고 볼 수 있다. 그냥 방치해두면 습도가 낮은 겨울이라도 전극표면이 수분과 반응해 표면이 망가져 전극자체가 망가지는 경우가 허다하다. 필자는 잘 모르겠지만, LFP 관련주도 당분간은 핫하지 않을까 싶다.

 

 

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음극 point

 

현재 상용화 되고 있는 흑연은 음극 컨셉에 맞게 작동전압이 낮고, 사이클 수명도 우수하다. 하지만 용량이 낮다는 점은 무시할 수 없는데, 하여 흑연+Si계열 (Si, SiO) 등이 연구되어졌다. 하지만 앨론 머스크 형님은 그냥 Si을 써야한다고 하는데 용량측면으로 따지면 실리콘 3400mAh/g 과 흑연 340mAh/g 상용화만 된다면 획기적일 수 있을 듯 보인다. 하지만 Si은 자체로는 전도성이 부족해 도전재가 많이 들어가야된다는 점과 부피팽창이 심해 열화가 빨리 진행되버려 이 점을 개선시키는 것이 포인트가 될 것 같다.

 

고속충전

전기차가 상용화되려면 넘어야 할 산이다. 충전을 하루종일 할 수 없으니, 적어도 15분~30분내로 완충될 수 있도록 고속충전에 대해서 연구가 되고 있는데, 이에 대하여 몇가지 포인트를 말씀드리려한다.

 

1. 리튬이온의 확산경로가 단순해야한다.

 

Liu, Y., Zhu, Y. and Cui, Y., 2019. Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials.  Nature Energy ,  4 (7), pp.540-550.

리튬이온은 전극 내에서 확산되면서 퍼져 나간다. 충전이 빠르게 된다는 것은 이 확산속도가 빠르다는 것과 의미가 동일하다고 볼 수 있다. 즉, 리튬이온이 확산되는 경로가 단순하면 단순할수록 확산이 빠르게 일어날 수 있을거라고 기대 할 수 있게 된다.

 

2. 리튬이온의 desolvation이 빨라야한다.

 

Liu, Y., Zhu, Y. and Cui, Y., 2019. Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials.  Nature Energy ,  4 (7), pp.540-550.

리튬이온은 전극과 전극 사이를 이동할 때는 용매이온들과 붙어서 같이 이동하게 된다. 이들이 음극에 도착하게되면, 리튬이온이 용매이온들과 떨어져 리튬이온의 상태에서 음극 내부로 이동하게 되는데, 이때 desolvation이 얼마나 빨리 일어나는가에 의해 충전 속도가 좌우될 수 있다.

 

 

오늘은 리튬이온배터리가 어떻게 연구되고 있는지, 앞으로 어떤 산이 남았는지, 우리가 투자할 때 알면 좋을 것들을 정리해보았다. 조금이나마 도움이 되셨으면 좋겠으며, 긴 글 봐주셔서 감사하다.