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[궁금한 THE 이야기] ① 2차전지의 필수품 ‘리튬’, 왜 중요할까?

궁금한 THE 이야기 - 2차전지(Secondary Battery) 1편

[궁금한 THE 이야기] ① 2차전지의 필수품 ‘리튬’, 왜 중요할까?

2022/08/04

궁금한 THE 이야기 '이차전지'편 제1장 이차전지의 필수품 '리튬', 왜 중요할까? 라고 쓰인 이미지박스이다.

모든 사물이 배터리로 움직이는 사물배터리(BOT) 시대가 도래했다. IT 산업을 시작으로 ESS, 전기차까지
그 영역을 빠르게 넓혀가고 있는 배터리 시장은 탄소중립 사회로의 전환을 통해 더욱 빠르게 성장하고 있다.
미래 에너지 산업의 핵심이 되는 2차전지에 대한 모든 궁금증을 <궁금한 THE 이야기> 연재를 통해 자세히 풀어낸다.

AI, IoT, 웨어러블 기기(Wearable Device) 등 정보통신기기와 전기자동차 산업 분야 성장의 동력원으로 ‘이차전지’ 필요성이 점차 커지고 있다. 전 세계 기업들은 뚜렷한 성장세를 보이는 2차전지 시장에서 우위를 선점하고자 기술개발에 뛰어들고 있다.
좌측 표에는 1차전지 / 일회성 / 재활용 불가 / 건전지, 알칼리전지 가 쓰여있고 우측 표에는 충전가능/ 반복, 장기간 사용가능 / 리튬이온배터리, LFP배터리 납축배터리 등 / 전기차, 스마트폰, 노트북의 배터리로 사용 / 고용량, 경량화, 소형화된 리튬이온전지를 일반적으로 사용 이라고 쓰여있다
2차전지는 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 1차전지와 달리, 방전이 되면 충전을 통해 반영구적으로 재사용할 수 있다. 다시 말해 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환해 저장했다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치다.

이차전지 산업의 진화와 역사라고 쓰인 제목 아래 시대별 배터리 유형과 설명이 쓰여있다. 1900년대 납축배터리의 수요는 자동차, 산업기기로 요구 기능은 기기으의 상시 전원 공급이다. 1950년대 니켈계 배터리의 수요는 휴대용 전자기기, 전동 공구, 하이브리드차로 요구 기능은 전자기기에 이동성 부여이다. 1990년대 리튬이온 배터리의 수요는 휴대폰, 태블릿, 노트북, 배터리 자동차로 요구 기능은 고용량 ,경량화, 소형화이다. 미래의 차세대 배터리의 수요는 모바일 기기, 초소형 전자기기, 배터리자동차로 요구 기능은 고안정성, 초소형, 플렉서블, 장기수명이다. 표 우측 하단에는 출처 : LG경제연구소, 삼성증권 포트폴리오전략팀이라고 쓰여있다
2차전지는 지난 120여 년 동안 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등 다양한 형태로 일상생활에서 유용하게 쓰이고 있었다. 대표적인 2차전지로 꼽히는 ‘리튬이온전지’는 휴대용 전자기기 사용자 수가 늘면서 잦은 충전 없이 오래 쓸 수 있는 배터리를 요구하는 목소리가 커지자 개발된 것으로, 1990년 일본 SONY사가 최초로 상용화한 이래로 현재까지도 그 원천기술을 근간으로 삼고 있다.

리튬이온배터리는 높은 에너지밀도와 우수한 출력을 자랑하고, 메모리 효과*가 없어 수명이 길다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다.
*메모리 효과 : 충전지를 완전 방전되기 전에 재충전하면 전기량이 남아 있음에도 충전기가 완전 방전으로 기억하는 효과를 가지게 되어, 최초에 가지고 있던 충전용량보다 용량이 줄어들면서 충전지 수명이 줄어드는 현상을 말한다.
이차전지 활용분야에 대해 설명한 그림이다. 좌측부터 시계방향으로 전자정보기기용으로 노트북, 전자시계, 태블릿 일러스트가 그려져 있고 다음은 수송기계용으로 자동차, 오토바이, 전동휠 일러스트가 그려져 있고 그 아래 에너지저장/산업용으로 풍력발전기, 태양열판, 지게차 일러스트가 그려져 있으며 마지막에는 로봇/군사용으로 서빙용로봇, 위성기기, 미사일 일러스트가 그려져있다.
특히, 2차전지는 전기차가 급부상하면서 없어서는 안될 존재가 되었다. 전기차 생산 업체가 2차전지를 소비하는 가장 큰 고객군이기 때문이다. 전 세계 국가들이 환경오염을 줄이기 위해 내연기관차 퇴출과 동시에 전기차 보급 확대를 본격화하고 있다. 전기차 구매 유도를 위한 보조금도 늘어나는 추세다. IEA에 따르면 2020년 전기차 판매를 지원하기 위해 각국 정부가 전년 동기 대비 25% 증가한 140억 달러를 지출했다고 한다.

전기차 배터리 시장의 미래를 나타낸 두개의 표가 그려져있다. 좌측 표에는 글로벌 전기차 판매량에 대한 막대 그래프이다. 단위는 만 대로, 2016년 230 / 2017년 370 / 2018년 580 / 2019년 710 / 2020년 1,130 / 2030년 23,000 이며 자료는 IEA, 2030년은 전망치라 쓰여있다. 우측 표는 글로벌 전기차용 배터리 시장 전망을 나타난 꺾은선 그래프로 단위는 GWH다. 공급은 2019년 326 / 2021년 599 에서 2025년 967이며 수요는 2019년 190 / 2021년 458에서 2025년 1328로 공급보다 수요가 뛰어넘게 되는 것을 전망하고 있다. 자료는 SNE리서치를 통해 확인했다.
국제에너지기구(IEA)는 ‘2021 글로벌 전기차 전망’ 보고서를 통해 2030년까지 글로벌 시장에서 보급되는 전기차가 최대 2억 3,000만 대에 이를 수 있다고 내다봤다. 현실화할 경우 현재 글로벌 자동차 시장에서 3%에 불과한 전기차 점유율은 12%로 급등하게 된다.

리튬 수요 산업 비중 변화를 나타낸 3개의 원형 그래프가 나열되어 있다. 2018년 248KT은 산업용 50.0% / EV 24.8% / IT 20.2% / ESS 2.6% / E-BIKE 2.5%가 차지하고 있으며 2022년 478KT은 산업용 28.7% / EV 50.5% / IT 13.8% / ESS 4.9% / E-BIKE 2.2%가 차지하고 있다. 2025년 821KT는 산업용 18.0% / EV 64.2% / IT 9.9% / ESS 6.1% / E-BIKE 1.9%가 차지하고 있다. 우측 하단에는 출처 : 포스코경영연구원, '글로벌 리튬 산업 7대 이슈'라고 쓰여있다.
전기차 시장이 급성장하면서 배터리의 주요 원자재인 리튬의 수요도 급증했다. 현재 리튬계 이차전지에 사용되는 리튬의 원료로 탄산리튬과 수산화리튬이 사용되고 있다. 탄산리튬은 주로 스마트폰, 노트북, 전동공구용 등 에너지 용량과 밀도가 상대적으로 낮은 배터리 제작에 사용된다. 수산화리튬은 탄산리튬보다는 에너지밀도와 용량이 높은 배터리 제작에 사용된다. 특히 수산화리튬은 한 번 완충시 500km이상 주행거리가 나오는 고용량 전기차 배터리에 제격이기에 사용량이 점차 증대하고 있는 상황이다.

다만, 단기간 내 리튬의 생산량 확대에 한계가 있어 리튬의 가격이 폭등한 상황이다. 이에 각국은 안정적으로 원자재를 확보하기 위해 리튬 프로젝트를 진행하고 배터리 제조 능력을 키우는 등 다양한 시도를 하고 있다.

이에 따라 포스코도 그룹의 성장 동력으로 이차전지소재 사업을 집중 육성하기 위해 원료와 소재 사업에 지속적으로 투자하고 있다. 포스코는 독자적으로 개발한 고유 리튬추출기술을 보유하고 있다. 이 기술은 광석 및 염수를 원료로 사용하여 배터리급 고순도 리튬을 만드는 기술로, 포스코는 2017년 탄산리튬, 2018년 수산화리튬을 각각 국내 최초로 생산하기 시작했다.

황토색 모래바닥 위 파란 하늘을 등지고 있는 하얀색 포스코 건물

▲아르헨티나 염수리튬 시범공장 전경. 이차전지 양극재의 핵심 소재인 리튬은 전기를 생성, 충전하는 역할을 한다.

해외 원료확보에도 적극 나섰다. 2018년 포스코가 인수한 아르헨티나 염호 ‘옴브레 무에르토’ 매장량은 1,350만 톤으로 전기차 3.7억 대(대당 배터리 용량 55.7kwh 기준)를 생산할 수 있는 양이다. 2020년에는 아르헨티나 염수리튬 데모플랜트 검증을 성공적으로 완료했다. 포스코는 전 세계에서 유일하게 폐2차전지와 리튬 광석, 염호까지 활용 가능한 리튬 생산체제를 확보하게 돼 연간 6만5,000톤 규모의 리튬을 생산할 것으로 전망하고 있다.

리튬 전쟁이라는 용어가 등장하면서 리튬 확보량, 가공능력이 최근 국가 경쟁력으로 언급되고 있다. 하지만 장점이 많은 만큼 극복해야 할 과제도 있다. 전 세계 리튬 배터리 대부분이 사용 후 쓰레기가 되고 약 5%만이 재활용되는 상황에 처해있다. 치솟는 리튬 배터리 수요를 충족시키기 위해 친환경적으로 재활용할 수 있는 방법을 모색할 수 있도록 더욱 적극적인 기술 개발이 진행되어야 할 시점이다.

[궁금한 THE 이야기 ‘이차전지’편 모아보기]
2편 : 배터리 성능을 올려라! ‘양극재’ A to Z

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