2차 전지의 개념과 전망 그리고 벨류체인

2차 전지(배터리)란 무엇인가?>

이차 전지(secondary battery)는 충전 및 여러 번 사용할 수 있는 에너지 저장 장치이다. 그것들은 일반적으로 전기 자동차, 휴대용 전자 장치 및 재생 가능한 에너지 저장 시스템을 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용된다. 이차 전지의 개념은 수세기 동안 존재해 왔으며, 가장 초기의 예는 알레산드로 볼타가 볼타 파일로 알려진 최초의 충전식 배터리를 개발한 1800년으로 거슬러 올라간다. 그러나, 납축전지와 같은 실용적인 이차전지가 개발된 것은 19세기 후반과 20세기 초반이 되어서야였으며, 납축전지는 1880년대에 처음 상용화되어 오늘날에도 자동차 및 백업 전력 시스템과 같은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다. 수년에 걸쳐, 다른 수많은 종류의 이차 전지들이 개발되어 왔으며, 각각의 장점과 단점을 가지고 있다.

 

여기에는 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈-금속-수소화물(NiMH), 리튬-이온(Li-ion) 전지 등이 포함된다. 일반적으로, 이차 전지는 에너지를 화학적 형태로 저장하는 방식으로 작동하며, 이후 필요할 때 다시 전기 에너지로 전환될 수 있다. 방전 중 배터리 내부의 화학 반응은 외부 회로를 통해 흐르는 전자를 방출하여 배터리에 연결된 장치 또는 시스템에 전원을 공급합니다. 충전 중에는 화학 반응이 역전되어 배터리의 에너지 용량이 회복됩니다. 이차전지의 개발은 휴대용 전자기기에서 전기자동차 및 신재생에너지 저장시스템에 이르기까지 수많은 기술 발전을 가능하게 하는데 결정적인 역할을 하였다. 오늘날, 이차 전지는 빠르게 성장하고 있는 산업으로, 배터리의 성능, 신뢰성 및 지속 가능성을 향상시키는 데 초점을 맞춘 연구 개발이 진행되고 있다.

전기차 기반 2차 전지의 벨류체인

전기자동차 기반 이차전지의 밸류체인은 일반적으로 다음과 같은 여러 단계를 포함한다.

• 원재료(Raw materials): 가치사슬의 첫 번째 단계는 리튬, 코발트, 니켈, 망간, 흑연과 같은 원료의 소싱을 포함한다. 이러한 재료는 일반적으로 전 세계 여러 곳에서 채굴되어 배터리 등급의 재료로 가공된다.
• 배터리 셀 제조(Battery cell manufacturing): 다음 단계는 배터리 셀을 제조하는 단계로, 배터리 등급 물질로부터 배터리 셀을 조립한 후, 성능 및 품질을 테스트하고 검증하는 단계이다. 이 단계는 전문 배터리 제조업체가 수행하는 경우가 많다.
• 배터리 팩 어셈블리(Battery pack assembly): 배터리 셀이 제조되면, 일반적으로 배터리 팩으로 조립되는데, 이는 개별 셀들을 함께 연결하고 배터리 관리 시스템, 냉각 시스템, 하우징 재료 등 다양한 구성 요소와 통합하는 것을 포함한다. 이 단계는 종종 차량 제조업체 또는 전문 팩 조립 업체에 의해 수행된다.
• 차량 어셈블리(Vehicle assembly): 배터리 팩을 전기 자동차에 장착하고, 여기에는 배터리 팩을 차량의 모터, 전력 전자 장치 및 기타 시스템과 통합하는 작업이 포함된다.
• 유통 및 판매(Distribution and sales): 보조 배터리가 장착된 전기 자동차는 종종 대리점 또는 온라인 판매 채널을 통해 소비자에게 배포되고 판매된다.
• 수명 만료(End of life): 마지막으로, 수명이 다하면, 배터리는 일반적으로 차량 제조업체 또는 전문 재활용 업체에 의해 환경적으로 책임 있는 방식으로 재활용되거나 폐기된다. 벨류체인의 각 단계에는 원료 공급업체와 배터리 셀 제조업체에서 차량 제조업체 및 수명 만료 재활용업체에 이르기까지 다양한 주체가 포함됩니다. 전기자동차 기반 이차전지의 성공적인 개발과 배치를 위해서는 이들 플레이어 간의 효율적이고 효과적인 조정이 필수적이다.

2차 전지의 효율성 및 전망

방전된 이차전지는 일반적으로 배터리의 상태가 양호하고 호환성이 있고 신뢰성이 높은 충전 시스템을 사용하여 충전하는 것이 효율적이다. 단, 충전 공정의 효율은 전지의 종류, 사용되는 충전 방법, 방전 수준에 따라 달라질 수 있다.일반적으로 전기자동차 등 휴대용 전자기기에 많이 사용되는 리튬이온전지는 충방전에 있어서 상대적으로 효율적이다. 용량이나 효율의 큰 손실 없이 여러 번 충방전이 가능하여 이차전지로 사용하기에 이상적이다.

 

2차전지 산업 전망에 대해서는 대체로 긍정적이다. 전기자동차 및 신재생에너지 저장 솔루션에 대한 수요는 지속적으로 증가하여 고용량 및 효율적인 이차전지에 대한 수요를 견인할 것으로 예상된다. 또한, 전지 기술 및 제조 공정의 발전은 성능, 신뢰성 및 비용 효율성의 향상으로 이어질 것으로 예상되어 이차 전지는 광범위한 응용 분야에서 점점 더 매력적인 선택지가 되고 있다. 그러나, 배터리의 생산 및 폐기에 따른 환경적 영향에 대한 우려는 물론, 원료의 조달과 관련된 공급망 문제 등 업계가 직면한 과제도 있다. 이러한 과제들은 이차전지 산업의 장기적인 지속가능성과 생존성을 보장하기 위해 해결되어야 할 것이다.

 

차세대 배터리 시장의 초래

2차전지에 사용되는 리튬이온전지 시대 이후 차세대 전지 시장이 활성화될 가능성이 높다. 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도, 긴 사이클 수명 및 기타 바람직한 특성으로 인해 2차전지의 지배적인 기술이 되었지만, 또한 안전성 문제, 비용, 특정 원료의 제한된 가용성 등의 한계를 가지고 있다. 따라서, 이러한 한계를 해결하고 훨씬 더 나은 성능과 비용 효율을 제공할 수 있는 대체 배터리 화학 및 기술에 대한 연구자와 기업들의 연구가 활발히 진행되고 있다. 연구되고 있는 유망한 기술들 중 일부는 다른 것들 중에서, 솔리드 스테이트 배터리(Solid-state batteries), 플로우 배터리(Flow batteries), 그리고 금속-공기 배터리(metal-air batteries)를 포함한다. 예를 들어, 전고체 전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하기 때문에 안전성을 향상시키고 화재나 폭발의 위험을 줄일 수 있다. 그것들은 또한 리튬 이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 사이클 수명을 제공할 수 있다.

 

그러나 이들은 아직 개발 초기 단계에 있으며 확장성과 비용 측면에서 중대한 문제에 직면해 있다. 반면에, 플로우 전지는 외부에 저장되어 에너지가 필요할 때 전지를 통해 흐르는 두 개의 전해질을 사용한다. 대용량, 확장성 및 긴 사이클 수명을 제공할 수 있어 고정 에너지 스토리지 애플리케이션에 매력적이다. 그러나 일반적으로 리튬 이온 배터리보다 부피가 크고 에너지 밀도가 낮아 전기 자동차와 같은 모바일 애플리케이션에 적합하지 않다. 전반적으로 리튬이온전지는 미래에 2차전지의 지배적인 기술로 남을 가능성이 높은 반면, 신기술이 개발되고 상용화됨에 따라 차세대 전지 시장이 활성화될 것으로 예상된다. 이러한 기술은 전기 자동차, 재생 에너지 저장 및 휴대용 전자 제품과 같은 분야에서 지속적인 성장과 혁신을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 할 것이다.