중국이 리튬이온 배터리 생산을 장악할 수 있는 이유

리튬이온은 이상적인 배터리인가?

수년 동안 니켈-카드뮴은 무선 통신부터 모바일 컴퓨팅까지 휴대용 장비에 적합한 유일한 배터리였습니다. 니켈수소와 리튬이온 등장 1990년대 초, 고객의 인정을 얻기 위해 치열한 경쟁을 벌였습니다. 오늘날 리튬 이온은 가장 빠르게 성장하고 가장 유망한 배터리 화학입니다.

세상은 점점 더 전기화되고 ​​있습니다. 개발도상국에서는 인구에 대한 전기 가용성이 증가하고 있을 뿐만 아니라 기존 교통 인프라의 전기화도 빠른 속도로 진행되고 있습니다. 2040년에는 도로를 달리는 자동차의 절반 이상이 전기로 구동될 것으로 예상됩니다.

배터리의 간략한 역사

배터리는 오랫동안 우리 일상생활의 일부가 되었습니다. 세계 최초의 실제 배터리는 1800년 이탈리아 물리학자 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)에 의해 발명되었습니다. 이 발명은 놀라운 혁신을 이루었지만 그 이후로 중요한 혁신은 소수에 불과했습니다.

첫 번째는 1859년에 발명된 납산 배터리였습니다. 이것은 최초의 충전식 배터리였으며 오늘날에도 여전히 내연기관 시동에 사용되는 가장 일반적인 배터리입니다.

지난 2세기 동안 몇 가지 혁신적인 배터리 설계가 있었지만 1980년이 되어서야 진정한 판도를 바꿀 수 있는 제품이 발명되었습니다. 옥스퍼드대학교와 스탠포드대학교의 획기적인 발전이 리튬이온 배터리 개발로 이어진 것도 이때다. 소니는 1991년에 최초의 리튬이온 배터리를 상용화했습니다.

리튬의 특별한 점은 무엇입니까?

리튬은 여러 면에서 특별한 금속입니다. 가볍고 부드럽습니다. 부엌칼로 자를 수 있을 정도로 부드럽고 밀도가 낮아서 물 위에 뜹니다. 또한 모든 금속 중 녹는점이 가장 낮고 끓는점이 높아 광범위한 온도에서 고체입니다.

동료 알칼리 금속인 나트륨과 마찬가지로 리튬도 물과 화려한 형태로 반응합니다. Li와 H2O의 결합은 수산화리튬과 수소를 형성하며, 이는 일반적으로 붉은 불꽃을 냅니다.

여러 측면이 있습니다 리튬이온 배터리 안전한 배터리 구조, 안전한 원자재, 보호 기능, 안전 인증 등 설계 과정 전반에 걸쳐 안전성을 확보하고 있습니다. China Electronics News와의 인터뷰에서 수석 엔지니어인 Su Jinran은 제품 안전은 제품 설계에서 시작되므로 올바른 전극 재료, 분리막 및 전해질을 선택하는 것이 안전한 배터리 설계의 최우선 과제라고 말했습니다. 배터리 양극 재료의 경우 배터리 설계에 널리 사용되고 만족스러운 성능을 발휘하는 삼원계 재료인 망간 리튬 및 리튬 철 인산염이 기존 코발트산 리튬 및 니켈 리튬보다 더 안전합니다.

리튬 이온 배터리는 경쟁 기술에 비해 여러 가지 중요한 이점을 갖고 있기 때문에 인기가 높습니다.

● 일반적으로 같은 크기의 다른 충전지보다 훨씬 가볍습니다. 리튬이온 배터리의 전극은 가벼운 리튬과 탄소로 만들어집니다. 리튬은 반응성이 매우 높은 원소이기도 합니다. 이는 원자 결합에 많은 에너지가 저장될 수 있음을 의미합니다. 이는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 매우 높다는 것을 의미합니다. 에너지 밀도에 대한 관점을 얻는 방법은 다음과 같습니다. 일반적인 리튬 이온 배터리는 1kg의 배터리에 150와트시(Wh)의 전기를 저장할 수 있습니다. NiMH(니켈-금속 수소화물) 배터리 팩은 킬로그램당 약 100와트시를 저장할 수 있지만, 60~70와트시가 더 일반적일 수 있습니다. 납산 배터리는 킬로그램당 25와트시만 저장할 수 있습니다. 납산 기술을 사용하면 1kg의 리튬 이온 배터리가 처리할 수 있는 것과 동일한 양의 에너지를 저장하는 데 6kg이 필요합니다. 엄청난 차이입니다 [출처: Everything2.com ].

● 그들은 책임을 지고 있습니다. 리튬 이온 배터리 팩은 매월 충전량이 약 5%만 손실되는 반면, NiMH 배터리는 매월 20% 손실됩니다.

● 메모리 효과가 없습니다. 즉, 일부 다른 배터리 화학 물질처럼 재충전하기 전에 완전히 방전할 필요가 없습니다.

● 리튬 이온 배터리는 수백 번의 충전/방전 주기를 처리할 수 있습니다.

● 그렇다고 리튬이온 배터리가 완벽하다는 뜻은 아닙니다. 몇 가지 단점도 있습니다.

● 공장에서 출고되자마자 품질이 저하되기 시작합니다. 사용 여부에 관계없이 제조일로부터 2~3년만 지속됩니다.

● 고온에 매우 민감합니다. 열로 인해 리튬 이온 배터리 팩은 평소보다 훨씬 빨리 성능이 저하됩니다.

● 리튬이온 배터리는 완전히 방전되면 배터리가 망가집니다.

● 리튬 이온 배터리 팩에는 배터리를 관리하기 위한 온보드 컴퓨터가 있어야 합니다. 이로 인해 기존보다 훨씬 더 비싸집니다.

● 리튬이온 배터리 팩이 고장나면 화염에 휩싸일 가능성이 적습니다.

혁신 기반의 표준 설정

리튬이온 배터리 안전 메커니즘의 복잡성, 특히 배터리 재사용 후 안전에 미치는 영향으로 인해 리튬이온 배터리 안전성을 이해하고 표준을 설정하는 과정은 점진적이고 점진적이어야 합니다. 그리고 외부 통제 기법의 개발 및 적용도 고려해야 한다. Su는 설정으로 다음을 제안했습니다. 리튬이온 배터리 안전 표준은 매우 기술적인 작업이므로 배터리 표준화 기관의 표준 설정 전문가와 배터리 업계의 기술 전문가, 사용자 및 전자 제어 분야 모두 실험 검증 작업을 포함하여 프로세스에 참여해야 합니다.

중국전자표준화연구소(China Electronics Standardization Institute)의 수석 엔지니어인 Sun Chuanhao는 리튬 이온 배터리가 현재 에너지 유형과 전력 유형으로 구분될 수 있다고 말했습니다. 두 제품은 재질과 디자인 구조가 다르기 때문에 동일한 안전 조건에서도 테스트 방법과 요구 사항이 다릅니다. 소위 휴대용 배터리는 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라, 비디오 카메라에 사용되는 리튬 이온 배터리를 포함한 에너지 유형에 속하며, 전원형 배터리는 전동 공구, 전기 자전거 및 전기 자동차에 사용됩니다.

연구기관 BloombergNEF에 따르면 리튬이온 배터리 팩의 부피 가중 평균 가격(셀과 팩 포함)은 2010~18년 대비 85% 하락해 평균 176달러/kWh에 이르렀다. BloombergNEF는 추가로 가격이 2024년까지 94달러/kWh, 2030년까지 62달러/kWh로 하락할 것으로 예상합니다.

이러한 비용 곡선 감소는 서비스에 배터리를 활용하는 회사나 에너지를 저장해야 하는 회사(예: 전력 생산업체)에게 중요한 의미를 갖습니다. 현재까지 리튬이온 배터리 판매는 대부분 가전제품 부문에서 이루어졌지만, 앞으로는 전기자동차가 판매를 주도할 것으로 예상됩니다.

오늘날 도로를 달리는 대부분의 자동차는 여전히 납축 배터리와 내연 기관을 사용합니다. 그러나 리튬 이온 배터리로 구동되는 전기 자동차의 판매는 지난 5년 동안 10배 이상 증가했습니다. 또한 점점 더 많은 국가에서 내연기관 자동차에 대한 금지 조치를 취하고 있으며, 이는 결국 전기 자동차가 개인 이동 수단을 지배하게 될 것이라는 기대를 가지고 있습니다.

물론 이는 배터리에 대한 미래 수요가 훨씬 더 커진다는 것을 의미합니다. 전기 자동차 제조업체인 Tesla는 Panasonic과 협력하여 새로운 리튬 이온 배터리 공장을 건설하기 위해 수십억 달러를 투자하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 미국 리튬이온 배터리 제조사들은 시장점유율에서 뒤처지고 있다.

리튬 이온 배터리와 관련된 성장 시장은 리프트 트럭, 스위퍼 및 스크러버, 공항 지상 지원 애플리케이션, 자동 유도 차량(AGV)과 같은 중공업 애플리케이션에 있습니다. 이러한 틈새 애플리케이션은 역사적으로 납축 배터리와 내연 기관에 의해 제공되었지만 경제성은 리튬 이온 배터리를 선호하는 방향으로 빠르게 전환되었습니다.

운전석에 중국이 있다

BloombergNEF의 분석에 따르면, 2019년 초 전 세계 리튬 셀 제조 능력은 316기가와트시(GWh)에 달했습니다. 중국은 이 용량의 73%를 보유하고 있으며, 미국이 그 뒤를 따르고 있으며 전 세계 용량의 12%로 2위를 차지하고 있습니다.

BloombergNEF가 글로벌 용량을 1,211GWh로 예측하는 2025년까지 글로벌 용량은 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 미국의 생산능력은 증가할 것으로 예상되지만 글로벌 생산능력보다는 느리다. 따라서 전세계 리튬 전지 제조에서 미국의 점유율은 줄어들 것으로 예상됩니다.

Tesla는 자체 배터리 공장을 건설하여 이 문제를 해결하려고 노력하고 있지만 캘리포니아에 본사를 둔 OneCharge와 같이 이러한 유형의 배터리를 광범위하게 공급하는 회사의 경우 현지 공급업체를 찾는 것이 어려운 것으로 나타났습니다. 저는 최근 OneCharge CEO Alex Pisarev와 이야기를 나눴는데, 그는 그의 회사가 직면한 과제를 강조했습니다.

Pisarev는 "미국 제조업체들은 미국산 리튬 이온 전지를 기꺼이 사용하겠지만 오늘날에는 현실적이지 않습니다."라고 말했습니다. 그래서 우리는 중국에서 계속 수입해야 합니다.”

중국은 이전에 태양광 패널과 관련해 했던 것과 같은 길을 가고 있다. 태양전지는 미국 엔지니어인 러셀 올(Russell Ohl)이 발명했지만 오늘날 중국은 전 세계 태양광 패널 시장을 장악하고 있습니다. 이제 중국은 전 세계 리튬 이온 배터리 생산을 통제하는 데 주력하고 있습니다.

제조를 다른 국가에 넘겨주더라도 가능한 가장 저렴한 녹색 기술을 보유하는 것이 바람직합니까? 낮은 태양광 패널 가격은 새로운 태양광 PV 성장을 폭발적으로 촉진했으며 이는 결과적으로 미국의 많은 일자리를 지원했습니다. 그러나 이들 패널의 대부분은 중국에서 제조된다. 트럼프 행정부는 수입 태양광 패널에 관세를 부과함으로써 이 문제를 해결하려고 시도했지만, 이러한 관세는 대부분의 미국 태양광 산업에서 강력히 반대했습니다.

중국은 값싼 노동력이라는 큰 장점을 갖고 있어 많은 제조업을 장악할 수 있었다. 그러나 중국은 또한 미국보다 더 많은 리튬 매장량과 리튬 생산량을 보유하고 있습니다. 2018년 중국의 리튬 생산량은 8,000미터톤으로 모든 국가 중 3위, 미국 리튬 생산량의 거의 10배에 달했습니다. 2018년 중국의 리튬 매장량은 100만 톤으로 미국 수준의 거의 30배에 달했습니다.

앞으로 나아갈 길

이러한 추세는 운송 및 중장비 부문에서 리튬 이온 배터리가 점점 더 납축 배터리를 대체할 것이라는 신호입니다. 이는 기록적인 이산화탄소 배출 문제를 해결하기 위해 고군분투하는 세계에서 중요한 발전입니다.

그러나 제조 비용과 원자재 가용성 측면에서 이러한 이점을 갖고 있는 미국이 세계 시장에서 중국과 경쟁할 수 있을까요? 그렇지 않다면 점점 더 많은 리튬 이온 배터리가 사용 수명이 다함에 따라 미국이 재활용 리튬에 대한 경쟁력 있는 시장을 개발할 수 있을까요?

이는 해결해야 할 중요한 질문입니다.

중국이 이러한 문제에 어떻게 대처할지는 불분명하지만, 리튬에 대한 끊임없는 추구와 리튬이 금속에 부여하는 전략적 중요성을 고려할 때 의심의 여지 없이 해결책을 찾을 수 있을 것입니다. 여러 면에서 중국이 녹색 운송을 수용하는 것은 좋은 일입니다. 이는 해당 부문에 대한 관심을 확대하고 경쟁 국가들이 리튬 공급 및 충전용 배터리 시장 점유율 측면에서 따라잡으려고 노력하도록 자극하기 때문입니다. 위험은 그들이 계속해서 뒤처져 곧 주류 운송 부문이 될 수 있는 부문을 중국이 독점하게 된다는 점입니다.

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