산업 전문가는 아니고 공부하려는 목적으로 정리한 자료입니다. 전해액은 배터리 내에서 리튬이온이 원활하게 움직이도록 돕는 매개체입니다. 전해액은 크게 세 재료로 이루어지는데: (1) 전해질염 (2) 유기용매 (3) 첨가제의 3가지입니다.
(1) 전해질염/리튬염 (Lithium Salt)
전해질염, 리튬염은 리튬이온을 이동시키는 통로 역할을 하게 됩니다. 주로 LiPF6라는 육불화인산리튬을 사용하는데, 이외에 배터리 수명의 연장과 충방전 효율의 증가, 저온 성능 향상 등을 위해 LiFSi(F전해질), LiPO2F2(P전해질), LiDFOP(D전해질), LiBOB(B전해질)등을 넣기도 합니다.
하이투자증권 리포트에 따르면, 주로 LiPF6가 주력 전해질로 사용되며, F전해질 및 P전해질 등이 성능 향상을 위해 조금 첨가됩니다. 대체로 고온 안정성 개선, 배터리 수명 향상, 이온 전도도 향상, 열분해점 개선, 전해질 분해 속도 둔화 등 여러 장점들을 부여한다고 한다. 아래 하이투자증권 리포트에 훨씬 자세한 내용이 적혀있습니다.
LiPF6 가격은 작년 거의 6배 가량 급등하기도 하였습니다. 사용량의 증가와 원재료 가격 상승 때문입니다. LiPF6는 증설까지 12~18개월 정도 걸리는 반면 수요는 생각보다 빨리 증가했고, 원료 가격의 60~70%를 차지하는 탄산리튬 가격 또한 급등했기 때문입니다.
상대적으로 F전해질은 LiPF6에 비해 열 분해점이나 이온 전도도 등에서 더 유리하나 LiPF6가 대량생산에 더 적합하고 가격이 비쌌습니다. 그러나 최근 LiPF6 가격의 급등으로 두 전해질의 가격 차이가 좁혀지며 LiFSi의 사용량이 증가하기도 하였습니다. (LiFSi에서 리튬 가격 비중은 약 50% 수준) LiFSi는 상대적으로 더 높은 기술수준이 요구되며 대량생산이 어렵다고 합니다.
(2) 유기용매 (Solvent)
유기용매는 염을 녹이는 액체입니다. 보통 Ethylene Carbonate, Propylene Carbonate 등이 주로 사용되나 그 외에 DEC, DMC, EMC등 다양한 물질들이 사용됩니다.
구체적으로는 유전율/점도가 높은 고리형(Cyclic) 카보네이트와 유전율/점도가 낮은 사슬형(Chain) 카보네이트를 혼합해서 사용한다고 하는데 무슨 소린지는 모르겠습니다.
(3) 첨가제 (Additive)
소량으로 첨가되는 물질로, 배터리의 수명과 안정성 향상, 이온 전도도 향상, 화재 저항성 부여, 과충전 방지 등의 역할을 합니다. VC, FEC, PS, DTD, VEC, TMSB, TPMS등 전통적인 첨가제와 함께, 위의 F전해질과 P전해질, D전해질을 첨가제로 묶어 부르기도 합니다.
첨가제의 중요 역할 중 하나는 SEI(Solid Electrolyte Interface) 형성을 돕는 것이기도 합니다.
SEI는 배터리 제조 후 처음으로 충전할 때 음극재 표면에 생기는 얇은 막을 가리킵니다. 배터리를 충전하면 배터리 내 리튬 이온이 음극으로 이동하게 되고, 그 과정에서 전해질에 있던 물질들이 처음으로 전기분해될 때 생기는 화학 반응으로 음극재 표면에 고체막이 생성되죠. 바로 이 고체막을 ‘SEI(Solid Electrolyte Interphase)’라고 부릅니다.
SEI는 리튬 이온이 이동하는 길인 ‘전해질’의 추가 분해 반응을 방지하고 리튬 이온만이 전해질을 이동할 수 있도록 만들어 줍니다. 추가적인 분리막으로서 배터리 성능에 핵심적인 역할을 합니다.
2차전지 내에서의 소재, 원가 비중은 아래와 같습니다. 전해액 내에서 용매는 무게 비중은 가장 높으나, 원가 비중은 30% 정도로 높지 않습니다. 반면 리튬염과 전해질은 무게 비중은 낮으나 상대적으로 가격 비중은 높습니다. 아래 차트는 2019년 본격적인 소재 급등 전의 비중이나 대체로 유사합니다.
전해액 제조의 진입장벽으로는 (1) 인화성 물질로서의 제도적인 관리 (2) 변질 우려에 따른 재고 부담 및 고객사 인접성 (3) 순도 유지 (4) 환경 문제 등이 있습니다.
배터리의 종류에 따라 첨가제와 염, 용매 등은 각기 조금씩 다르게 사용됩니다. 또한 용매마다 쓸 수 있는 첨가제가 있고 쓸 수 없는 성분이 있기에 조합 또한 달라집니다.
예를 들어 JP모건 보고서에 따르면 VC(Vinyle Carbonate)의 경우 NCM 계열 배터리에는 중량의 1% 정도, LFP 배터리의 경우 중량의 3% 정도 차지한다고 합니다. 그리고 F 전해질은 상대적으로 반응성이 높은 NCM계열의 배터리에 주로 사용된다고 합니다.
또한 BofA에 따르면 배터리 약 1GWh에 1kt 정도의 전해질이 사용되나, LFP의 경우 1GWh당 약 1.3kt, NCM 배터리의 경우 1GWh당 약 800~900t 정도가 사용된다고 합니다.
'산업 공부 > 전기차, 수소차' 카테고리의 다른 글
| CATL의 나트륨 배터리 공개행사 요약 (0) | 2021.07.30 |
|---|---|
| 전기차 충전소 얼마나 필요할까 (0) | 2021.06.29 |
| CATL의 나트륨 이온 배터리 (0) | 2021.05.28 |
| 전기차와 완성차 업체의 밸류에이션 (0) | 2021.04.13 |
| 자율주행차는 전기차에서만 되나? (0) | 2021.04.13 |
| 전기차를 위한 반도체, SiC 반도체 (0) | 2020.12.31 |
| 중국 전기차 업체: 샤오펑, 니오, 리오토 (0) | 2020.12.30 |
| 자동차 산업자료 이것 저것 - 3 (0) | 2020.12.30 |