석재의 분류는 무엇입니까?
늄 전지?
리튬 배터리는 크게 3가지로 나뉜다
응용 시나리오에 따라
이는 또한 이 기사의 세 가지 주요 섹션입니다.
소비자용 배터리
,
전원 배터리
, 그리고
에너지 저장 배터리
.
I. 소비자용 배터리
주로 휴대폰, 노트북, 태블릿 등 3C 제품에 사용되며, 휴대성, 높은 에너지 밀도, 빠른 충전 기능을 강조합니다.
1. 분류 : 리튬이차전지는 현재 소비자용 배터리의 주류 제품입니다.
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1차 전지: 아연-망간 전지, 알칼리 아연-망간 전지, 리튬 1차 전지(리튬-망간 이산화물, 리튬-티오닐 염화물, 리튬-철 이황화물).
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2차 전지: 납산 전지, 니켈-크롬 전지, 니켈-금속 수소 전지, 리튬 이온 전지.
2. 소비자용 배터리의 3가지 팩 형태
소비자용 리튬 배터리는 현재 대부분 폴리머 리튬 배터리를 사용합니다.
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프로젝트
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프리즘 배터리
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원통형 배터리
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폴리머 배터리
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배터리 케이스
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스틸 또는 알루미늄 케이스
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스틸 또는 알루미늄 케이스
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알루미늄-플라스틱 필름
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장점
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낮은 배터리 내부 저항, 간단한 팩 공정, 대용량 셀 용량
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성숙한 생산 공정, 높은 수율 및 일관성; 높은 안전성; 광범위한 적용 분야; 높은 셀 에너지 밀도
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얇고 가벼우며 내부 저항이 낮습니다. 팩의 에너지 밀도가 높습니다. 뛰어난 안전 성능, 낮은 폭발 위험. 유연한 디자인으로 어떤 모양에도 적용 가능합니다.
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단점
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일관성 부족, 표준화 부족, 높은 안전 관리 요구 사항
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패키지 비용이 높고 배터리에 대한 요구사항이 높음 배터리 연결 및 관리 요구사항이 높음.
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기계적 강도가 낮음, 제조 비용이 높음.
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적용 분야
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승용차, 상용차, 에너지 저장
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승용차, 전동 공구, 전기 자전거, 물류 차량, 스마트 홈, 에너지 저장
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3C 디지털 제품, 승용차, 에너지 저장
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3. 기타 형태
단추형 배터리는 하드쉘 버튼형과 소프트팩 버튼형으로 나뉩니다. 하드쉘 버튼형 배터리의 내부 극 조각은 라미네이션 공정을 적용하여 강철 쉘 또는 알루미늄 쉘에 포장됩니다. 소프트쉘 버튼형 배터리는 와인딩 공정을 적용하여 알루미늄 플라스틱 필름에 포장됩니다. 단추형 배터리는 주로 블루투스 헤드셋, 수면용 헤드폰, 웨어러블 제품에 사용됩니다.
스마트폰 화면 크기가 커지고 가벼우면서도 얇은 디자인을 추구함에 따라, 휴대폰 제조업체들은 본체 내부 공간을 최대한 활용하기 위해 듀얼 셀 및 특수 형상의 배터리를 사용하고 있습니다. 예를 들어, iPhone XS Max는 듀얼 셀 구조를, iPhone 11Pro/13Pro는 특수 형상의 L자형 배터리 구조를 사용합니다. 스마트 팔찌와 반지의 등장으로 인해 스마트 팔찌에 곡면 배터리를 적용하는 등 배터리 형태에 대한 새로운 요구가 생겨나고 있습니다.
4. 소비자용 리튬 배터리의 하류 응용 분야
(1) 노트북 컴퓨터
스마트폰, 태블릿 컴퓨터 등의 제품이 노트북 컴퓨터 판매에 영향을 미쳤지만, 새 제품뿐 아니라 기존 제품 교체 수요도 여전히 존재합니다. 노트북 컴퓨터의 휴대성에 대한 요구가 점점 높아짐에 따라 리튬 배터리는 더 가볍고 얇은 방향으로 발전하고 있습니다.
(2) 태블릿 컴퓨터
태블릿 컴퓨터는 컴퓨터와 스마트폰의 중간 위치에 있습니다. 휴대성, 조작 편의성, 그리고 세련된 디자인 덕분에 시장이 안정적으로 성장하고 있습니다.
(3) 스마트폰
스마트폰 시장은 성숙기에 접어들었고, 교체 주기도 길어졌으며, 시장이 비교적 포화 상태에 도달했습니다. 아시아 태평양, 중동, 아프리카, 라틴 아메리카 등 신흥 시장의 인플레이션이 완화되면서 휴대폰 출하량 증가세가 어느 정도 촉진되었습니다.
(4) AI 휴대폰
인텔, 퀄컴, 레노버, 샤오미 등은 AI+휴대폰과 AI+PC를 주력으로 내세우고 있습니다. 엔드-사이드 AI가 새로운 시대를 열 수도 있습니다. 예를 들어, 삼성 갤럭시 S24, 메이주 21 프로, 샤오미 14 울트라, 오포 파인드X7 등 생성 AI를 탑재한 대형 휴대폰이 모두 2024년 상반기에 출시되었습니다.
(5) 웨어러블 기기
스마트워치, 블루투스 헤드셋, 스마트안경 등 웨어러블 기기는 사물인터넷의 관문으로서 큰 성장 잠재력을 가지고 있습니다.
(6) 전동공구 시장
기계 산업, 건축 장식, 조경 등에 활용될 수 있으며, 향후에는 스마트 홈, 휴대용 에너지 저장, 비상 대응 등의 분야에 응용될 것으로 기대됩니다.
(7) 전기 이륜차
출하량 증가세가 둔화되었습니다. 중국은 전기 이륜차 최대 수출국이며, 수출은 계속 증가하고 있습니다.
북미, 유럽, 동남아시아는 중국 전기차 수출의 주요 대상 지역입니다. 중국산 전기 이륜차는 미국으로 수출 시 관세가 면제됩니다. 2023년 중국의 대미 전기 이륜차 판매량은 456만 4천 대에 달하며 전체 수출의 30% 이상을 차지했습니다. 많은 동남아시아 국가들이 해외 브랜드의 현지 공장 설립을 장려하기 위해 석유-전기 전환 정책을 도입했습니다.
(8) 무인 항공기
무인 항공기(UAV)는 항공 사진, 사진술, 농업, 측량 및 지도 제작, 기상학, 통신, 공공 안보 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.
ACEY는 리튬 배터리 산업에서 15년 이상의 경험을 바탕으로 강력한 R&D 역량과 광범위한 제조 경험을 자랑하며 고성능, 고안전성 제품을 제공합니다.
배터리 팩 조립을 위한 원스톱 솔루션
노트북, 휴대폰, 전기 이륜차, 드론 등의 응용 분야에서 사용됩니다.
II. 전원 배터리
전기 자동차와 같은 차량에 사용되는 경우 높은 출력과 긴 주행 거리는 물론 사이클 수명과 안전성과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다.
1. 분류
동력 배터리는 양극 재료에 따라 크게 3원계 재료 배터리와 리튬인산철 배터리로 구분할 수 있으며, 패키징 방식과 형태에 따라 각형 배터리, 폴리머 배터리, 원통형 배터리로 구분할 수 있습니다. 3원계 재료는 리튬니켈코발트망간산화물(NCM) 또는 리튬니켈코발트알루미늄산화물(NCA)을 말합니다. 소프트팩 구조와 각형 및 원통형 구조의 가장 큰 차이점은 쉘 형태와 제조 공정입니다.
2. 전력 배터리의 개발 역사
에너지 밀도가 핵심 관심사였던 산업 발전 초기 단계에는 리튬 철 배터리보다 높은 에너지 밀도와 긴 주행 거리를 자랑하는 삼원계 양극재가 주류를 이루었습니다. 동시에 삼원계 재료는 니켈 함량이 높아지는 추세를 보였습니다. 소프트팩 배터리의 패키징 공정은 높은 에너지 밀도와 뛰어난 안전성 덕분에 시장 점유율을 빠르게 확대했습니다.
산업 발전의 중간 단계에서, 우수한 안전성과 저렴한 비용으로 인해 리튬인산철(LiFePO4)이 주류 소재로 자리 잡았습니다. CTP(Cell-Top-Temperature Polymer) 및 모듈리스(Module-less) 기술 덕분에 배터리 조립 효율이 크게 향상되어 LiFePO4 배터리의 주행 거리가 향상되었습니다. 또한, 블레이드 배터리는 팩 공간 활용도와 안전성을 향상시켜 배터리 비용을 절감합니다. 모듈리스 구조 설계(CTP 및 CTC) 또한 배터리 조립 효율을 향상시킵니다.
배터리 산업은 이제 성숙 단계에 접어들었으며, 기술 경로가 점점 더 다양해지고 고전압 고속 충전으로의 새로운 트렌드가 부상하고 있습니다. 배터리는 일반적으로 600km 주행거리 요건을 충족하며, 충전 효율과 안전성 향상에 중점을 두고 있습니다. 이 시기에 LiFePO4는 높은 에너지 밀도와 뛰어난 안전성으로 주목을 받았습니다. 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 여러 소재 중에서도 반고체 전지와 복합 집전체 또한 주목을 받고 있습니다. 동시에 나노실리콘으로 제작된 실리콘-탄소 음극은 우수한 고속 충전 성능과 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 패키징 기술 측면에서는 CTC 및 CTB 기술 업그레이드를 통해 차량 내 Z축 공간을 늘리고 내구성을 향상시키며 비용을 절감하고 있습니다.
3. 산업 사슬
(1) 음극재료
3원계와 리튬철인산염은 두 가지 주류입니다.
양극재
전력 배터리용. 3원계는 NCM(니켈-코발트-망간)과 NCA(니켈-코발트-알루미늄)로 나눌 수 있습니다.
하류 시장의 높은 번영과 리튬 철 인산이온 전지가 에너지 밀도와 빠른 충전 성능 면에서 3원 전지를 능가한다는 사실에 힘입어 안전성과 비용적 이점이 두드러져 양극의 주요 소재로 자리 잡았습니다.
리튬 철 인산화물 양극재의 성능을 향상시키는 방법 중 하나는 압축 밀도를 높이는 것입니다. 압축 밀도는 특정 압력 조건에서 단위 전극에 포함된 활물질의 질량을 의미하며, 전극 비용량, 충방전 효율, 내부 저항, 그리고 배터리 사이클 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 급속 충전 배터리는 내부 저항을 줄이고 충전 속도를 높이기 위해 전극 두께를 줄여야 하지만, 압축 밀도를 높이면 전극 두께가 얇아도 에너지 밀도를 유지하거나 심지어 증가시킬 수 있습니다.
2024년에는 3원 양극재 출하량이 75만톤에 이를 것으로 예상된다.
삼원계 양극재 시장은 세분화되어 있으며 제조업체 간 경쟁이 치열합니다. 2023년 CR3의 점유율은 41%에 불과합니다. 삼원계 양극재 생산 능력은 점차 확보되고 있으며, 산업 집중도는 더욱 향상되고 있습니다.
(2)
양극재
음극재 제품은 탄소 재료와 비탄소 재료, 두 가지 범주로 나뉩니다. 탄소 재료에는 천연 흑연 및 인조 흑연과 같은 흑연 재료가 포함됩니다. 흑연 음극의 층상 구조는 리튬 이온의 삽입 및 방출에 유리합니다. 비탄소 재료에는 실리콘 기반 재료, 리튬 티탄산염, 주석 기반 재료, 질화물 등이 있습니다. 실리콘 기반 재료는 흑연의 실제 용량인 360mAh/g보다 훨씬 높은 이론 비용량(4200mAh/g)으로 인해 차세대 기술 방향으로 주목받고 있습니다. 또한, 실리콘 기반 재료는 천연 자원이 풍부하고 비용이 저렴하며 환경 친화적입니다.
(3)
배터리 전해액
전해질은 전해질 리튬염, 용매, 그리고 첨가제로 구성됩니다. 질량비로 볼 때, 전해질 리튬염은 전해질의 약 10~15%, 유기 용매는 80%, 그리고 첨가제는 5~10%를 차지합니다. 현재 널리 사용되는 용질은 육불화인산리튬(LiPF6)입니다. 피막 형성 첨가제, 과충전 방지 첨가제, 고온/저온 첨가제, 난연 첨가제, 레이트형 첨가제 등 다양한 첨가제의 비율은 전해질 성능에 상당한 영향을 미칩니다.
(4)
분리 기호
분리막은 리튬 배터리의 핵심 부품이자 업계에서 가장 큰 기술적 장벽을 지닌 핵심 소재입니다. 분리막의 주요 기능은 양극과 음극을 서로 분리하여 단락을 방지하고 충전 및 방전 시 리튬 이온이 이동할 수 있는 경로를 제공하는 것입니다. 분리막은 배터리 저항, 용량, 수명에 큰 영향을 미치며, 궁극적으로 배터리의 안전성을 결정합니다.
주요 분리막은 폴리올레핀 분리막으로, 주로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌-폴리에틸렌 복합재를 포함합니다.
습식 코팅 분리막은 분리막 개발의 미래가 될 것입니다. 습식 코팅 분리막은 건식 코팅 분리막보다 가격이 비싸지만, 기공률과 공기 투과도가 향상되어 더 얇고 가벼운 분리막을 구현할 수 있습니다. 코팅 기술은 습식 코팅 분리막의 내천공성과 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 코팅 소재는 세라믹, PVDF, 아라미드 등 다양합니다.
4. 미래기술 개발 방향
(1) 고체전지
기존 리튬 배터리의 전해질과 격막을 대체하여 이온 전달 및 전하 저장을 위해 고체 전해질을 사용하는 것을 말합니다. 고체 전지는 전해질의 질량 비율에 따라 반고체 전지(전해질 함량 5~10%), 준고체 전지(0~5%), 고체 전지(전해질 0%)로 구분됩니다. 즉, 전고체 전지의 양극, 음극 및 전해질은 모두 고체 물질입니다.
고체 전해질은 고체 배터리의 기술적 핵심입니다. 이상적인 고체 전해질은 전자 전도도가 매우 낮고, 리튬 이온 전도성이 우수하며, 화학적 호환성과 안정성이 우수하고, 저비용 대량 생산이 가능해야 합니다. 현재 사용되는 전해질에는 황화물, 산화물, 금속 할로겐화물, 폴리머 등이 있습니다.
고체 전지 음극 재료는 주로 금속 리튬 음극, 탄소 그룹 음극, 산화물 음극의 세 가지 범주로 나뉜다.
기존의 액체 리튬 전지는 주로 탄소 계열 재료(예: 흑연)를 음극으로 사용하지만, 탄소 기반 비용량의 제약으로 인해 향후 개발 가능성에 제약이 있습니다. 실리콘 기반 음극 재료는 높은 이론 비용량을 가지고 있어 음극 재료 시스템 발전에 중요한 방향성을 제시합니다. 그러나 실리콘 기반 재료는 충방전 시 심각한 부피 팽창을 겪고 사이클 성능이 저하됩니다. 이는 탄소 코팅, 나노소재화 및 기타 기술적 수단을 통해 개선될 수 있습니다. 금속 리튬 음극은 매우 높은 이론 비용량으로 인해 궁극적인 목표로 여겨지지만, 리튬 덴드라이트 성장 및 화학적 안정성 측면에서 어려움을 겪고 있습니다.
고체 전지 양극 소재는 주로 고니켈 3원 양극, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬이 풍부한 망간 기반 경로에 집중되어 있습니다.
(2) 전원 배터리 재활용
현재 배터리 재활용 방법은 크게 계단식 활용과 분해 재활용으로 나뉜다.
캐스케이드 활용은 잔류 용량이 높고 에너지 저장, 저속 차량, 기지국 변전소 등 2차 활용 요건을 충족하는 폐기 배터리를 처리하는 것을 의미합니다. 일반적으로 리튬철인산철 배터리는 사이클 수명이 우수하고 열 안정성이 우수하여 더욱 적합합니다. 분해 재활용은 공정 기술을 통해 폐기된 배터리를 활용하여 배터리 내 니켈, 코발트, 망간, 구리, 알루미늄, 리튬 등의 금속을 회수한 후 재활용하는 것을 의미합니다. 삼원계 배터리는 희소 금속 함량이 높고 재활용 가치가 높지만 사이클 수명이 짧고 열 안정성이 낮아 더욱 적합합니다.
전원 배터리의 용량이 80% 미만으로 떨어지면 재활용만 가능합니다. 재활용된 배터리는 사전 방전, 분해, 분리 및 기타 전처리 과정을 거쳐야 합니다. 현재 재활용 방법에는 열분해, 습식 재활용, 생물학적 재활용의 세 가지가 있습니다. 습식 재활용은 특정 용액을 사용하여 양극 물질을 침출시켜 유가 금속을 이온 형태로 용매에 용해시킨 후, 화학적 침전, 용매 추출 등의 방법을 통해 금속 이온을 분리 및 정제하는 것을 말합니다. 습식 재활용은 열분해 후반 단계에서 금속 원소의 분리 및 추출을 위해 여전히 필요합니다. 생물학적 재활용은 배양 주기가 길다는 특징이 있습니다.
(3) 복합 전류 집전체
전통적인
배터리 전류 수집기
순수 구리박 또는 알루미늄박입니다. 복합 집전체는 플라스틱 필름(PET, PP 등) 표면에 마그네트론 스퍼터링 등의 방법을 사용하여 구리를 기판 표면에 균일하게 도금한 신소재입니다. 배터리 단락 시, 복합 집전체 중앙의 고분자 물질층이 녹아 단락을 발생시켜 단락 전류를 억제하고 배터리의 열 폭주를 제어하며, 배터리 셀의 폭발 및 화재 문제를 근본적으로 해결할 수 있습니다. 또한, 복합 구리박은 기존 구리박보다 비용과 무게가 저렴하여 배터리 에너지 밀도를 5% 이상 높일 수 있습니다.
III. 에너지 저장 배터리
그리드 피크 쉐이빙, 가정용 에너지 저장, 상업 및 산업용 에너지 저장과 같은 시나리오에서 사용되는 이러한 배터리는 긴 충전 및 방전 시간(2시간 이상)이 필요하고, 사이클 수명과 비용 효율성을 우선시하며, 에너지 밀도 요구 사항이 낮습니다.
데이터에 따르면 에너지 저장용 리튬 배터리 출하량은 2024년에 320GWh를 넘어 50% 이상의 성장률을 기록할 것으로 예상됩니다. 출하 구조 측면에서는 전력 저장 셀이 80% 이상을 차지하며 주요 출하처로 남을 것으로 예상됩니다. 이 중 전력 저장용 배터리 출하량은 약 280GWh로 65% 이상의 성장률을 기록했습니다. 가정용 축전지 출하량은 약 26GWh로 30% 이상의 성장률을 기록했으며, 상업용 및 산업용 에너지 저장용 배터리 출하량은 약 10GWh로 40% 이상의 성장률을 기록했습니다. 리튬 인산철 배터리는 출하된 셀의 90% 이상을 차지하며 주류 기술입니다.
2024년 전 세계 에너지 저장용 리튬 배터리 출하량은 전년 대비 55% 증가할 것으로 예상되며, 중국 기업들이 전 세계 생산 용량의 90% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다. 가정용 에너지 저장용 배터리 출하량을 기준으로 볼 때, 50~100Ah 용량의 배터리가 시장의 주류를 이루고 있으며, 80%는 6,000회 사이클의 수명을 요구하고, 고급 제품은 10,000회 사이클에 달합니다.
현재 주류 280Ah 셀 제조업체들은 314Ah 셀로 전환하고 있습니다. GGII 데이터에 따르면 용량 전환율은 52%에 달했습니다. 두 배터리의 케이스, 구조 및 크기는 변경되지 않으므로, 주요 기업들은 공정 및 소재를 중심으로 280Ah 생산 라인을 계속 사용할 수 있습니다.
에이시 뉴 에너지
리튬 이온 배터리용 고급 장비의 연구 및 제조를 전문으로 합니다. 당사는 원통형/각형/폴리머 배터리용 배터리 팩 조립 장비, 배터리 셀 및 팩 테스트 시스템, 코인 셀, 원통형 셀 및 파우치 셀용 실험실 규모 제작 장비, 배터리 환경 안전 테스트 장비, 배터리 원료 및 슈퍼 커패시터 생산 장비 등을 포함한 모든 제품을 생산합니다.
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