리튬이온 배터리 완전 가이드: 전력, 소비자용, 에너지 저장 응용 분야

리튬이온 배터리는 하류 응용 분야에 따라 소형 소비자용 리튬 배터리(3C), 전력용 리튬이온 배터리, 대형 에너지 저장 배터리로 구분할 수 있다.

I. 파워 배터리

파워 배터리는 동력 장치에 전력을 공급하는 배터리로, 현재 리튬이온 배터리의 급속히 성장하고 있는 응용 분야를 나타내고 있다. 신에너지 자동차, 전동 공구, 전기 자전거 등에 널리 사용되고 있다. 파워 배터리는 에너지 저장 배터리의 일종이기도 하며, 주로 전기자동차에 사용된다. 자동차의 크기와 무게 제한, 그리고 가속 성능에 대한 요구 때문에 일반 에너지 저장 배터리보다 더 높은 성능을 요구한다. 이러한 요구 사항에는 더 높은 에너지 밀도, 더 빠른 충전 속도, 더 큰 방전 전류가 포함되며, 일반 에너지 저장 배터리는 이러한 엄격한 요구 조건이 없다.

1. 제품 특징:

동력용 리튬이온 배터리의 경우, 장기적인 요구사항(최소 5~10년 이상)을 고려하여 충전 속도, 주행 거리, 신뢰성 및 일관성에 대한 보다 많은 고려가 필요합니다. 에너지 밀도: 배터리 팩은 차량 무게의 약 25%를 차지하며, 배터리 무게의 변화는 차량의 에너지 소비에 직접적인 영향을 미칩니다. 동일한 충전량에서 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리 팩은 더 긴 주행 거리를 제공합니다. 충전 속도: 현재 동력 배터리의 중요한 지표 중 하나는 충전 속도입니다. 주요 배터리 제조사들은 사용자의 대기 시간을 줄이기 위해 현재 4C에서 6C 또는 그 이상의 충전 속도를 설계하고 있습니다. 안전성 및 일관성: 동력 차량의 배터리 팩은 다수의 배터리를 직렬 및 병렬로 연결하여 사용합니다. 이상적으로 동력 배터리의 고장 확률(안전성, 저장, 사이클 수명 등)은 1억 분의 1 이하가 되어야 합니다. 만약 이 확률이 일정하게 낮게 유지되지 않는다면, 사용 중 과충전 및 과방전이 발생하기 쉬워져 안전사고로 이어질 수 있습니다.

2. 양극 유형:

현재 시장에서 주요 전원 배터리 유형으로는 삼원계 리튬 배터리, LiFePO4 배터리 및 LiMn2O4 배터리가 있습니다. 전체적인 전원 배터리 호환성을 기준으로 볼 때, 삼원계 리튬 배터리와 LiFePO4 배터리가 시장을 주도하고 있습니다. 물론 전원 배터리 분야에서 주목할 만한 또 다른 음극 소재로는 NCA(니켈-코발트-알루미늄)(8:1.5:0.5)이 있으며, 이는 높은 단일 셀 에너지 밀도를 자랑하지만 진입 장벽 또한 매우 높습니다.

Ii. 소비자용 배터리

소비자용 배터리는 리튬이온 배터리의 또 다른 중요한 응용 분야이다. 소비자용 리튬이온 배터리는 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라, 디지털 캠코더, 보조 배터리, 전동 장난감 등 소위 '3C 제품'으로 불리는 전자제품에 사용되는 리튬 배터리 셀 및 모듈을 말한다. 주로 원통형, 각형, 폴리머 포치형 배터리로 분류된다. 원통형 리튬 배터리는 지름이 크기 때문에 최종 소비자용 전자제품의 두께를 얇게 만들기 어렵고, 각형 리튬 배터리는 외형 설계가 비교적 고정되어 있어 얇게 제작하기 어렵다. 따라서 이 두 가지 유형의 리튬 배터리는 얇고 가볍며 크기 조절이 가능한 배터리가 요구되는 일부 소비자용 전자제품의 요구 조건을 충족시키기 어렵다. 반면 폴리머 포치형 리튬 배터리는 알루미늄-플라스틱 필름을 외장재로 사용하여 가볍고 안전하며, 설계의 유연성과 더 높은 에너지 밀도를 제공하므로 소비자용 전자제품이 요구하는 얇고 가벼우며 크기 조절이 가능하고 안전한 배터리에 더욱 적합하다. 따라서 현재 폴리머 포치형 리튬 배터리가 가장 널리 사용되는 소비자용 리튬 배터리 유형이다. 소비자용 배터리 산업은 성숙기에 접어들었으며, 전반적인 수요는 비교적 안정적이다.

1. 제품 특징:

소비자용 리튬이온 배터리는 비교적 완화된 사용 조건을 요구하며 장기적인 신뢰성 필요성이 낮다. 일반적으로 단독으로 사용되며 다른 배터리와의 매칭이 필요하지 않기 때문에 일관성 요구 사항이 높지 않다. 그러나 휴대폰 및 태블릿과 같은 소비자 제품은 공간이 제한되어 있고 소중하기 때문에 소비자용 리튬이온 배터리는 크기, 용량, 에너지 밀도에 대해 엄격한 요구 사항을 갖는다. 고급 소비자용 배터리는 가장 첨단 기술과 소재를 사용하지만, 전기차용 배터리는 더욱 정교한 공정 제어, 일관성 관리 및 품질 관리가 요구된다. 소비자 제품의 사이클 수명 요구 사항은 전기차용 배터리나 에너지 저장용 배터리만큼 길지 않다. 예를 들어, 2~3년 사용 후 휴대폰의 배터리 용량이 80% 수준으로 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 대부분의 휴대폰이 하루에 한 번 또는 두 번 충전되기 때문이다. 이는 휴대폰의 용량이 3년 이내에 80% 미만으로 떨어진다는 것을 의미하며, 이 시점에서 배터리 또는 휴대폰 자체를 교체해야 한다.

2. 양극 유형:

리튬 코발트 산화물(LCO)은 여전히 소비자용 배터리 시장을 주도하고 있다. 이차원계 NCM(리튬 코발트 비함유 산화물)은 높은 비용량을 제공하지만 고전압에서의 가스 발생 문제로 인해 LCO를 쉽게 대체하지 못하고 있다. LCO 양극 소재는 코발트의 고비용으로 인한 높은 가격, 낮은 사이클 수명, 낮은 안전성 등의 단점이 있으나, 높은 탭 밀도와 높은 작동 전압 덕분에 초소형 전자제품 분야에서 여전히 경쟁력을 지닌다. 중고급 스마트폰, 노트북, 태블릿 등에서 수요는 안정적으로 유지되고 있으며, 5G 폰의 배터리 용량 증가와 드론, TWS 이어폰, 전자담배 같은 새로운 소비자용 전자기기의 출현 또한 LCO 양극 소재 시장 수요를 견인하고 있다. LCO는 가장 높은 탭 밀도를 자랑하여 소비자용 전자기기의 제한된 공간 내에서 가장 높은 체적 에너지 밀도를 구현한다. 우수한 탭 밀도, 체적 에너지 밀도, 사이클 성능, 고온/저온 특성뿐 아니라 충전 절단 전위를 높여 LCO의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있는 가능성까지 고려하면, 고전압·고탭밀도 LCO 소재가 미래의 발전 방향이 될 것이다.

III. 에너지 저장 배터리

에너지 저장 배터리는 전기를 저장하여 화학 에너지로 변환하는 배터리를 의미한다. 현재 에너지 저장 배터리 시장은 주로 전력 저장과 주택용 에너지 저장이라는 두 가지 주요 응용 분야를 가지고 있다. 전력 저장 배터리는 본질적으로 전기를 저장하는 전력 저장 기술이다. 응용 사례로는 양수 발전, 배터리 저장, 기계적 저장, 압축 공기 저장 등이 있으며, 다양한 산업 분야에 적용할 수 있다. 주택용 에너지 저장 배터리는 일반적으로 실외 사용을 위한 것으로, 가정에서 정전이 발생했을 때나 캠핑 중과 같은 예기치 못한 상황에서 고용량 및 장시간 사용이 가능한 에너지 저장 배터리가 필요하다.

1. 제품 특징:

에너지 저장용 리튬 배터리는 수명에 대해 더 높은 요구사항을 가지고 있습니다. 신에너지차의 수명은 일반적으로 5~8년이지만, 에너지 저장 프로젝트는 보통 10년 이상의 수명을 목표로 합니다. 동력용 리튬 배터리의 사이클 수명은 1000~2000회인 반면, 에너지 저장용 리튬 배터리는 일반적으로 5000회 이상의 사이클 수명을 요구합니다. 이는 에너지 저장용 배터리가 부피 에너지 밀도나 질량 에너지 밀도를 우선시하지 않고, 안전성과 비용을 중시하기 때문입니다. 본질적인 소재 특성 측면에서 볼 때, 인산철 리튬(LFP) 배터리는 삼원계 리튬 배터리보다 더 우수한 열 안정성과 낮은 소재 비용을 가지며, 이미 사이클 수명이 거의 10,000회에 달하고 있어 글로벌 에너지 저장 시장에서의 적용 범위가 점점 더 확대되고 있습니다.

2. 양극 유형:

전력용 리튬 배터리와 에너지 저장용 리튬 배터리 사이에는 몇 가지 차이점이 있지만, 셀 자체의 관점에서 보면 둘 다 리튬 철 인산염(LFP) 배터리와 3원계 리튬 배터리를 사용할 수 있는 것으로 보인다. 그러나 에너지 저장 응용 분야에서는 거의 전적으로 LFP 배터리가 사용된다. 이는 주로 에너지 저장 발전소에서 자주 발생하는 안전 사고 때문이다. 에너지 저장 전용 리튬 배터리는 높은 에너지 밀도를 요구하지 않지만 높은 수준의 안전성을 요구한다. 왜냐하면 전기화학적 에너지 저장 시스템은 수백 개에서 수만 개에 이르는 배터리를 포함하고 있기 때문이다. 한 번 화재가 발생해 확산되면 상황을 처리하기가 극도로 어려워진다. 2022년 6월 29일, 중국 국가에너지국은 '전력 생산 사고 예방을 위한 25가지 핵심 요건'에 대한 초안 의견을 발표하며, 대규모 전기화학적 에너지 저장 발전소는 3원계 리튬 배터리나 나트륨-황 배터리를 사용해서는 안 되며, 재활용된 동력 배터리의 사용도 금지한다고 명시했다. 따라서 에너지 저장 배터리는 기본적으로 모두 LFP로 제작되고 있다.

요약:

소비자용 배터리 시장은 대부분 안정화되었으며, 배터리 R&D는 주로 더 높은 체적 에너지 밀도와 더 큰 용량을 달성하는 데 초점을 맞추고 있다. 주요 동력 배터리의 시장 점유율은 이미 대부분 확립되어 있으며, 일부만이 여전히 재편되고 있다. 현재 동력 배터리의 주요 관심사는 주행 거리 연장과 충전 속도 향상에 집중되어 있다. 에너지 저장용 배터리 역시 획기적인 새로운 개발은 없었으며, 주로 280Ah에서 314Ah로, 그리고 현재 CATL과 Haichen의 587Ah, Sungrow의 684Ah에 이르기까지 극도로 큰 용량을 추구하고 있다.