2차 전지의 구조
2차전지는 양극,음극, 분리막, 전해액이 담겨져 있는 배터리셀을 기본 단위로 하여 구성됩니다.
이 배터리셀은 외부 충격에 민감합니다. 그래서 열과 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정 배터리셀을 묶습니다. 이것이 배터리 모듈입니다.
그리고, 차량에 탑재되기 위해 각종 제어 및 보호시스템, 냉각시스템 등을 장착합니다.이렇게 배터리팩으로 만듭니다. 최종적으로 배터리팩이 차량에 탑재되게 되는 것이죠.
아래 그림은 BMW i3에 탑재된 배터리팩입니다. 8개의 모듈과 96개의 배터리팩으로 구성되어 있습니다.
배터리 셀
배터리 셀(Battery Cell)은 전해액, 양극재, 음극재 등으로 구성된 2차 전지의 최소 단위입니다. 배터리 내에서 양극판과 음극판으로 조합된 1조로. 하나의 격실로 된 케이스 내에서 전해액 속에 담가 다른 셀과 분리되어 있습니다. 차량용 배터리의 1셀은 2볼트의 전압을 냅니다.
셀은 자동차가 최대한 성능을 발현하도록 합니다. 그러기 위해 단위 부피당 높은 용량을 지녀야합니다. 또한 수명도 길어야 합니다. 주행 중 전달되는 충격을 견뎌야 합니다. 그리고 저온, 고온에서 견딜 만큼 안정성도 필요합니다. 배터리의 기본이 되는 셀은 이 부분을 담당합니다.
배터리 모듈
배터리 모듈(Module)은 배터리 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호해야합니다. 이를 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체(Assembly)입니다. 모듈은 서로 직렬 및/혹은 병렬로 연결된 다수의 셀들로 이루어져 있으며. 기계적 구조물 안에 매입됩니다. 흔히 ‘배터리’라고 통칭해서 불리기도 합니다.
배터리 팩
배터리 팩(Battery Pack)은 여러 개의 배터리 셀을 하나로 합친 것입니다. 외부 환경의 물리적 충격으로부터 보호하는 역할을 수행합니다. 전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태입니다. 배터리 모듈에 BMS(Battery Management System), 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성됩니다.
배터리셀, 배터리모듈, 배터리 팩에서 소재,부품,장비의 역할
소재는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질이 주요 소재입니다. 양극재는 용량과 전압을 결정합니다. 음극재는 충전속도와 수명을 결정하죠. 분리막은 리튬이온이 배터리 내부에서 이동하는 통로입니다. 전해질은 이동(수영)을 치기 위한 환경(물)이라고 생각하시면 됩니다.
우리가 주로 알고 있는 에코프로, 엘앤에프, 등은 이 배터리 소재를 제작하는 회사입니다. 이 회사들이 주가가 많이 올랐던 이유는 양극재와 관련된 기술이 배터리의 성능을 좌우하기 때문입니다.
이런 소재들을 담을 케이스가 필요하죠? 부품주는 대게 배터리팩, 셀 용기와 관련된 제품들입니다. 그리고 일부 제작공정에서 필수적으로 사용되는 부품(슬롯다이)이 있습니다. 상대적으로 소재주나 장비주에 비해서 알려지지 않았죠. 신흥에스이씨, 상신이디피, 지아이텍 등과 같은 회사들이 있습니다. 가방회사는 돈을 크게 못벌고 있네요.
장비를 설명하기 위해서는 배터리를 제작하는 단계에 대해서 알아야 하는데요. 소재들을 조합하여 양극과 음극을 만드는 전극공정. 양극/음극판을 분리막과 함께 셀 형태로 제작하는 조립공정. 마지막으로 조립된 배터리를 충전 및 방전시키고 자동화, 검사, 테스트 등을 하는 활성화 및 후공정으로 나뉩니다.
최근 화제가 되고 있는 피엔티는 제조공정의 ‘Coating’을 위한 장비를 납품하는 업체입니다. 하나기술은 조립을 위한 Assembly line 장비를 공급하는 회사입니다.
양극재
양극재는 리튬이온배터리의 에너지원입니다. 전지의 성능, 안전성 및 가격 등에 가장 큰 영향을 미치는 핵심소재입니다. 양극재는 전기차 배터리 생산비에서 약 40%를 차지하며 주행 거리, 충전 및 방전 등의 성능을 결정하는 핵심 소재입니다.
음극재
음극재는 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하는 중요한 소재입니다. 현재는 주로 흑연이 사용되고 있습니다. 최근에는 실리콘 음극재가 배터리 차별화의 중요한 소재로 부각되고 있습니다. 실리콘 음극재 시장 규모는 2021년 4000톤에서 2030년 20만톤까지 성장할 것으로 예상됩니다.
분리막
분리막은 배터리의 안전성과 관련된 핵심 소재입니다. 양극과 음극이 서로 닿지 않도록 하는 역할을 합니다.
전해질
배터리전해질은 배터리 내부에서 양극과 음극을 분리하고 전기를 전달하는 역할을 하는 소재입니다. 현재 주로 사용되는 리튬이온 배터리에서는 액체 전해질이 사용되고 있습니다. 향후 전해질이 고체로 된 전고체 배터리도 개발되고 있습니다.
전고체 배터리는 전해질을 고체로 만드는 기술입니다. 현재 리튬이온 배터리의 폭발 위험성을 낮추고 크기 또한 작아지고 있습니다. 이 때문에 전기차에 적용될 경우 더 유용할 것으로 예상됩니다.
배터리 부품
배터리팩 케이스는 배터리 팩을 보호하기 위한 케이스입니다. 외부의 충격이나 오염으로부터 배터리를 보호하는 역할을 합니다.
이 케이스는 배터리의 성능이나 수명에 직접적인 영향을 미치지는 않습니다. 배터리의 안전성을 보장하기 위해 중요한 역할을 합니다. 따라서 배터리팩 케이스는 내구성이 높고, 방수 기능이 있는 제품을 선택하는 것이 좋습니다.
배터리셀 케이스는 배터리 셀을 보호하기 위한 케이스입니다. 외부의 충격이나 오염으로부터 배터리를 보호하는 역할을 합니다. 배터리 셀 케이스는 배터리의 성능이나 수명에 직접적인 영향을 미치지는 않습니다. 배터리의 안전성을 보장하기 위해 중요한 역할을 합니다.
일반적으로 배터리 셀은 발전기에 의해 생성된 전기 또는 외부전원으로 부터 인가되는 전기를 저장하고 기타 전기 시스템에 전기를 공급합니다. 알루미늄과 같은 금속 소재로 제작된 케이스에 수용됩니다. 예를 들어, 케이스는 배터리 셀이 수용될 수 있는 공간을 내부에 마련하고 있습니다. 그 길이방향 전방과 후방은 배터리 셀이 서로 닿지 않도록 하는 역할을 합니다.
배터리 장비공정
전극 공정
전극 공정은 배터리의 양극과 음극을 만드는 제조 공정입니다.
다음과 같은 단계로 이루어집니다.
- 믹싱 공정: 양극과 음극을 구성하는 재료들을 섞어주는 공정입니다. 고속의 믹서를 사용하여 재료들을 섞어줍니다.
- 코팅 공정: 믹싱 공정에서 만든 중간재인 양극과 음극 슬러리를 코터기(코팅 기계)를 이용해 알루미늄 포일과 구리 포일에 각각 얇게 코팅합니다.
- 롤 프레싱 공정: 코팅과 건조가 완료되면, 두 개의 커다란 압연(Rolling) 사이로 전극을 통과시키는 롤프레싱 공정을 합니다. 전극이 납작해질수록 에너지의 밀도가 상승하게 됩니다.
- 슬리팅(Slitting)과 노칭(Notching) 공정: 롤 프레싱 공정을 통해 납작해진 전극들을 슬리팅 공정에서 각 사이즈에 따라 세로 방향으로 잘라줍니다. 이후 노칭 공정을 통해 전극을 가로로 재단합니다. V자 홈과 양극(+), 음극(-) 탭을 만들어 주면 전극 공정의 모든 과정이 완료됩니다.
조립 공정
조립 공정은 배터리의 양극과 음극, 분리막, 전해질 등의 소재를 모아 배터리의 형태를 만드는 공정입니다. 조립 공정의 순서는 다음과 같습니다.
- 전극 공정이 모두 마무리되고. 양극과 음극에 남아있는 미세한 수분을 제거하면서 조립 공정이 시작됩니다.
- 양극과 음극, 분리막, 전해질로 구성된 배터리 소재와 함께 파우치 케이스 또는 원통형 케이스가 필요합니다.
- 배터리의 형태에 따라 제조 순서와 기술에 차이가 있습니다.
- 조립 공정에서 전극 소재(극판)를 일정 크기로 자르는 ‘노칭 장비’가 사용됩니다. 또한 절단된 전극을 위로 쌓아올리는 ‘스택 장비’ 등이 사용됩니다.
활성화 및 후공정
활성화 및 후공정은 배터리 제조의 마지막 단계입니다. 충·방전으로 전지의 역할을 할 수 있도록 만들어 주는 단계입니다. 이 과정에서 미세한 전기를 공급하는 과정을 거쳐야 비로소 양극과 음극을 구성하는 물질이 전기를 발생시키는 활동을 시작하게 됩니다. 이후 검사장비를 통한 성능, 수명검사 등의 과정을 거친 다음 출하됩니다. 특히 전기자동차에 사용되는 중대형 전지의 경우는 전수검사 후 셀 단위 혹은 모듈이나 팩 단위로 제조업체에 장비를 공급하니다. 또한 직접 생산을 하지 않고 OEM 업체를 통한 외주생산을 진행하기도 합니다.
배터리 장비주의 비전
아직 전기차 시장은 시작단계라고 볼 수 있습니다. 거리에 다니는 차들만 봐도 아직은 내연기관이 더 많습니다. 그러나, 건설기계(덤프트럭, 포크레인 등)와 각종 장비들도 전기화가 된다고 하면 더욱 소요는 많아질 것입니다. 이러한 2차전지를 만들기 위해서는 공장이 필요합니다. 이 공장을 짓기 위해서는 장비주 관련 회사의 실적이 높아질 수 밖에 없습니다.
그리고 우리나라의 기업들이 국내를 넘어 미국 및 유럽으로 사업을 확장하고 공장을 건설하고 있습니다. 그래서 장비는 필요할 수밖에 없습니다. 그래서 향후 2~3년의 장비주 전망이 좋아보이는 이유입니다.
이 외에도다양하게 대규모 장비 발주가 예정되어 있습니다.( 2025년 가동예정인 폴란드, 얼티엄셀즈 등)
2차 전지 소부장(소재, 부품, 장비) 관련 내용에 대해서 알아보았습니다.
2차전지에서 초전도체로. 초전도체에서 맥신. 이제는 다시 2차전지의 장비주로 흐름이 이동하는 모양세가 보이네요.
그런데, 2차 전지와 초전도체, 맥신 중에서, 우리가 현명하게 판단해야 하는 것은 실적입니다. 관련 사업으로 실적을 내고 있는 것은 2차전지 뿐입니다. 실체가 있지도 않은 아이템에 소중한 자산을 투자하는 것은 위험합니다. 실적과 수익을 내는 기업에 투자하는 것이 바람직해 보입니다.
그리고, 장비주가 좋다고 무조건 아무 회사나 투자하시면 안됩니다. 장비주에서도 여러 회사가 있으니 비교를 해서 투자하시는게 좋을 것 같습니다.
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