어느 날 뉴스를 보다 보니 [전고체 배터리]에 대한 이야기가 나오고 있었다. 대략 일본 도요타 자동차가 세계 최초 전고체 배터리 자동차를 공개한다는 뉴스였고, 이에 2030년까지 16조를 투자한다는 내용이었다. 뉴스를 보고 난 뒤 도대체 전고체 배터리라는 것은 무엇이고, 도요타가 처음 공개한다는 것에 세상이 떠들석한지에 대해 궁금하여 전고체 배터리에 대해 알아보게 되었다.
●스마트폰, 건전지, 전기자동차에 이르기 까지 우리의 산업 및 생활 전반에서 배터리가 관여하는 부분은 광대하다고 할 수 있다. 그중 한번 쓰고 버리는 건전지가 있고 여러 번 충전을 할 수 있는 2차 전지가 있다. 충전할 수 있는 전지의 원리는 간단하게 말하자면 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있게 만든 전지다. 2차 전지도 소재에 따라 종류가 많지만 그중 지금 가장 대중화가 된 종류는 "리튬이온 전지"다.
▷리튬이온 전지는 질량과 부피 대비 에너지 밀도가 매우 높고, 고속&고율 충방전에 유리하다는 장점이 있으나 내부에서 쇼트가 나서 음극과 양극이 닿거나 혹은 강한 외부충격을 받으면 폭발하게 될 위험성이 있는 듯 단점 또한 존재한다.
●그렇다면 전고체 배터리랑 기존 리튬이온 전지랑은 무슨 차이가 있을까?
말하기에 앞서 전지의 구조에 대해서 간략하게 말하면 【①음극 ②양극 ③분리막 ④전해질】로 총 4가지로 구분할 수 있다. 이중 기존 리튬이온 전지는 전해질 부분이 액체 상태에 있는데 전고체(全固體, solid state) 배터리는 전해질 부분이 고체인 배터리이다. 게다가 분리막 또한 전해질 부분과 합해지는 점이 차이가 있다.
▶전고체 배터리와 기존 리튬 이온 배터리를 비교했을 때 장점은 무엇인가?
1. 안전하다
온도 등 환경에 대해 강하고 구조적으로 단단해 외부 충격으로부터 안정적이며 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 더욱 안전성을 높일 수 있다.
2. 에너지 밀도가 높다
같은 부피 대비 기존 리튬이온 배터리랑 전고체 배터리를 비교하면 약 2배 정도의 성능을 가진다고 한다. 회사마다 조금씩 다르지만 전기자동차 배터리로 비교해 이야기하면 기존 배터리는 1회 충전 시 약 500km 안팎이지만 전고체 배터리는 800km는 가능하다고 한다.
3. 고속 충전이 가능하다
도요타가 개발한 전기자동차 전고체 배터리 기준으로 완전 방전으로부터 10분이면 완충이 가능하다고 한다
4. 부피가 줄어든다
안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있다고 한다.
☆그러나 제일 중요한 개선점은 역시 안전성이 늘어났다는 점이다.
▶이렇게 좋은 전고체 배터리가 왜 상용화가 안되고 있는가?
출력과 온도 등 몇몇 문제가 있지만 두 가지 문제가 제일 크다고 한다.
1. 덴드라이트 (Dendrite) 현상※
※덴드라이트 현상 : 배터리를 충전할 때 음극 표면에 나뭇가지 모양의 결정체가 생기는 현상을 말하는데, 이는 배터리 성능을 저하시키고 내부에 균열을 만들어 폭발 위험성을 높일 수 있다고 한다.
2. 제조 단가가 너무 높다.
:업계에 따르면 전고체 배터리 가격은 현재 상용화된 리튬이온 배터리 가격보다 높을 것으로 전망된다.
▷국내의 경우에는 전고체 배터리 산업의 성장이 기대되는 것과는 별개로 개발 상황은 아직 초기 단계에 불과하다는 진단이 나온다.
★결론
●조사를 하면 할수록 전고체 배터리의 산업은 이미 10년도 더 전부터 연구가 쭉 이어져 오고 있었다고 한다. 그러다가 잠시 정체되었다가 최근에 전기차 시장이 활발해짐에 따라 연구의 필요성이 높아지고 전 세계가 앞다투어 전고체 배터리에 대한 투자가 높아지고 있다고 한다.
그중 전고체 배터리 관련 기술은 현재 일본이 가장 앞서있다고 한다. 유럽 특허청에 따르면 전고체 배터리 관련 국제 특허의 국가별 비중은 일본이 54%로 1위다. 뒤이어 미국이 18%, 한국이 12%를 차지하고 있다 한다.
일본은 국가적으로 전고체 배터리에 대한 투자를 아끼고 있지 않은데, 특히 도요타가 두드러지게 보인다. 현재 도요타는 전고체 배터리에 대한 특허를 1000건 이상 내고 있는데 이는 도요타가 하이브리드 관련된 특허로 아직까지 하이브리드 시장을 쥐고 있는 것처럼 전고체 배터리도 마찬가지로 기술을 독점하여 관련 업계를 오랫동안 점유율을 높일 생각인 듯하다.
●전고체 배터리가 개발되어 전력 밀도가 높아지면 고성능의 소형 전자기기가 출시되고 전기차도 무게의 한계를 극복할 수 있게 되므로 전 세계의 전자 기기에 대한 산업이 한층 더 발전될 수 있다고 한다.
●전고체 배터리 시장이 가시적으로 보이는 이때 개인이 할 수 있는 것은 무엇일까 생각해 보면 역시 관련주에 대한 투자라고 할 수 있다. 관련 기업들이 많은데 잠시 알아보면 아래와 같다.
⊙한농화성 : 전고체 배터리 전해질을 개발
⊙에코프로 :에코프로 비엠 관련주
⊙에코프로 비엠 : 전고체용 배터리용 양극재를 개발+테슬라 수혜주
⊙엘티씨 : SOFC 전해질 관련 기술을 확보한 국내 유일 기업 (고체 산화물 연료전지)
⊙아바코 : 전고체 전해질 고속 증착 장비 개발
⊙이수화학 : 황화수소 관리 기술을 보유한 국내 유일 업체 -> 독점 공급 가능
⊙미래컴퍼니 : 전고체 배터리 셀 제조장비 개발 과제에 선정
⊙씨아이에스 : 전고체 전지용 전해질 개발 사업을 신규사업으로 확
⊙테이팩스 : 특허청으로부터 고체 전해질 관련 특허 NDSL를 취득
⊙삼성 SDI : SDI의 비즈니스 중 배터리 개발이 큰 비중 : 그냥 배터리 만드는 회사 말이 필요 없음
⊙EG :전고체 전지용 폴리에테르 기반 고분자 리튬 전고상 고분자 전해질과 양극 활물질과 고체 전해질로 이뤄진 복합 양극 제조 기술 등을 연구 중이라고 한다.
⊙도요타나 테슬라 현대자동차 등 자동차 기업도 포함한다.
등등 이 외에도 수많은 기업들이 많지만 전고체 배터리라는 거대한 산업에 원료 / 장비 제작 / 가공 및 완성품 등등 직/간접적으로 연관된 회사가 너무 많다 보니 조사하다가 그 방대한 회사들의 양에 놀랄 정도였다.
○재미없는 이야기이지만 늘 그렇듯 투자는 개인의 판단이 제일 중요한 법이고 그 정보에 대한 조사와 미래에 대한 통찰은 도움을 받을 순 있지만 최종은 개인의 선택에 따라 달려있다고 생각한다.
◎그러나 배터리 시장은 생각보다 거대하고 에너지와 전자기기 및 전기자동차 등 각종 미래 산업의 축을 바꿀 수 있는 중요한 전환점을 만들어 줄 수 있다는 것을 고려하면 우리가 그에 대비해서 움직이면 생각보다 큰 이익이 있을 수 있겠다는 생각이 들었다.
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