이차전지 산업개요 - 원리, 유형, 밸류체인

1. 개념 및 원리

• 화학전지란 화학반응 시 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치를 말하며, 화학반응과 관련된 물질이 모두 전지 내에 존재함. 
• 화학전지는 방전이 되면 폐기하는 일회용 1차전지, 방전된 후에도 충전해 재사용할 수 있는 2차전지, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지로 분류할 수 있음.
• (개념) 2차전지(배터리)는 1900년대 납축배터리 형태로 최초 개발되었으며, 이후 니켈계 배터리 형태를 거쳐 1991년 이후 리튬이온 배터리가 주류 2차 전지 제품 형태로 자리잡게 됨.
• (장점) 리튬이온전지는 휴대폰, 태블릿, 노트북, 배터리 자동차 등에 쓰이며 경량화 및 소형화가 가능하다는 점, 에너지 밀도가 높아 짧은 시간 대비 수명이 오래간다는 점 등의 이점이 있음.
• (원리) 리튬이온전지는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어냄.
• (구성) 양극재, 음극재, 전해액, 분리막의 4가지 핵심소재로 구성됨.

 

2. 제품 유형

2-1) 형태에 따른 구분

	형태 및 특성	장점	단점
각형	- 납작하고 각진 형태의 배터리  - 전기차용 배터리 유형 중 적재량 기준 비중이 가장 큼	- 알루미늄 캔으로 둘러싸여 있어 외부 충격에 강해 내구성이 뛰어나고 안전함 - 여러개를 쌓을 수 있음	-내부 공간 활용 측면에서 불리해 상대적으로 에너지밀도가 낮음 - 알루미늄 캔을 사용해 무겁고, 제조 공정도 상대적으로 복잡함
원통형	- 원통형 스틸 캔 케이스에 담긴 원기둥 형태의 배터리	- 전통적 형태로 사이즈가 규격화되어 있어 생산 비용이 저렴하고 대량 생산에 용이함 - 생산 공정이 단순하여 안정적인 수급이 가능함 - 부피당 에너지 밀도가 높음	- 다른 형태에 비해 용량이 상대적으로 작아 여러 개의 배터리를 하나로 묶어 사용해야 함 - 개별 가격은 저렴하더라도, 배터리 시스템 구축 비용이 많이 듦
파우치형	- 부드러운 필름으로 포장하여, 배터리 소재를 층층이 쌓는 스태킹 방식으로 만들어진 주머니 형태의 배터리	- 배터리 셀을 빈틈없이 채울 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있음 - 소재를 층층이 쌓아 올려 내부 공간을 빈틈없이 꽉 채울 수 있으며, 이로 인해 배터리 내부 공간 효율과 에너지 용량을 개선할 수 있음 - 외관이 단단하지 않아 다양한 사이즈와 모양으로 제작이 가능하고, 구부리거나 접을 수 있어 활용도가 높음과 더불어 다양한 형태로 맞춤 제작이 가능함	- 다른 형태에 비해 케이스가 단단하지 않아 모듈이나 팩으로 만들 때 이를 커버할 수 있는 다소 높은 기술력이 요구됨

 

▶전기차 배터리 유형별 적재량 비중 추이  

-EV용 배터리로는 각형이 제일 흔히 사용되나, 최근 다양한 형태로 맞춤제작이 가능하다는 장점이 뛰어난 파우치형 배터리의 탑재량이 지속적으로 증가하고 있는 추세임.

 

-각형이 주력인 기업은 중국의 CATL과 국내 기업인 삼성SDI가 있고, LG에너지솔루션은 파우치형과 원통형을 동시에 제작하며, SK온은 파우치형을 주력으로 하고있음.

 

2-2) 크기에 따른 구분

크기	용도
소형	작은 전자기기 (휴대폰, 태블릿 등)
중형	전기차
대형	ESS

3. 산업 밸류체인

• 배터리 산업의 밸류체인은 리튬, 니켈, 코발트 등 배터리 제조에 필요한 핵심 원자재를 확보하는 단계인 업스트림, 원자재 제련, 핵심소재 및 셀을 제조하는 미드스트림, 제조된 배터리 셀을 모듈화, 패킹하는 작업 단계인 다운스트림으로 구분됨. 
• 업스트림 : 리튬 등 원자재 확보(생산)
• 리튬은 특정 지역에 편중되어 있고 일부 국가들이 자국 이익을 극대화하기 위해 보유 자원을 전략적으로 이용하면서 수급 불균형이 발생하고 있음. 이에 따라 리튬 원자재를 안정적으로 확보하기 위한 경쟁이 치열하게 전개되고 있으며, 중장기적으로 수요 대비 생산량도 부족하여 가격이 상승하는 등 공급 불안정이 지속될 가능성이 존재함. 
• 미드스트림 : 원자재 세정, 정제, 핵심소재 및 셀 제조
• 미드스트림에서는 핵심 원자재로부터 고순도의 정제원료를 경제성있게 산출하는 것이 핵심임. 이러한 원자재 세정 및 정제 과정과  배터리 셀 4대 핵심 소재인 양극재, 음극재, 전해액, 분리막을 제조하는 과정을 거치면 미드스트림의 최종 단계인 배터리 셀 제조 단계에 이르게 됨. 
• 미드스트림의 최종 제품인 배터리 셀 제조 단계에서는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등을 케이스에 조립하며, 이때 배터리 구성 요소를 보호하는 외장재의 형태에 따라 각형, 원통형, 파우치형으로 구분됨. 
• 다운스트림 : 배터리 팩 및 최종재 제조
• 제조된 배터리 셀은 최종재에 맞게 모듈화하여 팩 공정을 거치며 이는 배터리 제조의 마지막 단계인 다운스트림에 해당함. 
• 최종적으로, 배터리는 가장 작은 기본 단위인 셀, 셀들을 일정한 개수로 모아둔 모듈, 그리고 최종 형태인 팩으로 구성됨. 
• End of Life : 폐기
• 배터리 산업 밸류체인의 마지막은 배터리 사용 완료 후 상태와 목적에 따라 재사용 또는 재활용하는 ‘폐기’ 단계임. 
• 폐배터리를 기존 용도가 아닌 다른 용도로 재사용하거나 폐배터리 내 금속을 추출하여 신규 배터리 제조에 활용하면서 배터리 산업 밸류체인은 생산부터 소비, 폐기에 이르기까지의 선순환 체계가 구축되고 있음. 

 

▶ (그림) 이차전지 산업 밸류체인: 업스트림/미드스트림/다운스트림/폐기로 구분

*자료 : 삼정KPMG경제연구원. 재가공.