에너지

벌집 배터리, 고체 전지보다 경쟁 우위 가능성

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세계를 전기화하는 배터리

Battery technology is changing the world in countless ways. The most obvious example of this is EVs, but advanced batteries are also the driving force behind the growing importance of drones and other futuristic innovations like maglev, Hyperloop trains, and even 우주 정복을 위한 매스 드라이버.

배터리는 저녁에 태양광 패널의 에너지 생산 곡선을 평탄하게 하고, 바람이 없는 날에도 풍력 터빈의 전력 생산을 보완함으로써 전력망을 친환경으로 전환하는 데 필수적일 것입니다.

출처: Statista

현재 배터리 기술은 리튬이온 기술에 의해 주도되고 있으며, 이 발견은 2019년 화학 분야 노벨상을 수상할 정도로 중요했습니다 (우리 전용 기사에서 발견의 역사를 자세히 읽어보실 수 있습니다).

그럼에도 불구하고 리튬이온 배터리는 한 가지 심각한 제한점을 가지고 있습니다. 시간이 지남에 따라 충·방전 사이클마다 금속 리튬의 돌기, 즉 수지상 결정(dendrite)이 조금씩 성장합니다. 이는 수지상 결정이 배터리 부품을 관통해 단락을 일으킬 수 있습니다. 이러한 단락 위험은 리튬이온 배터리가 가연성 전해질을 사용한다는 사실과 결합되어 배터리 화재가 매우 뜨겁고 진압하기 어렵게 만듭니다.

이 문제는 LFP(리튬-철-인산) 화학을 포함한 모든 리튬 기반 배터리에서도 어느 정도 공유됩니다. 적어도 현재까지는 그렇습니다.

출처: Nobel Prize

오랫동안 대안으로는 나트륨이온과 같은 완전히 다른 화학이나 전해질을 전혀 사용하지 않는 고체 전지와 같은 다른 배터리 개념이 생각되어 왔습니다.

하지만 이것이 전혀 사실이 아닐 수도 있습니다. 선도적인 배터리 제조업체인 CATL은 새로운 “벌집” 설계가 5년간 집중 사용 후에도 퇴화 징후가 전혀 없는 배터리를 만들 수 있다고 발표했습니다.

이 설계는 현재 기술을 대부분 그대로 사용하면서도 고체 전지와 같은 에너지 밀도를 가진 배터리를 만들 수 있습니다.

벌집 구조가 더 많은 전력을 담다.

A key reason batteries degrade and grow dendrites is that the material contracts and expands during each charge/discharge cycle when the lithium ions enter the anode’s matrix.

수축·팽창 관리 역시 고체 전지 개발을 저해해 온 핵심 문제 중 하나였습니다. CATL은 양극 재료에 복잡한 벌집 형태 구조를 개발함으로써 해결책을 찾았다고 주장합니다.

이 아이디어는 완전히 새로운 것은 아니며, 예를 들어 2020년 과학 논문 “새로운 마이크로 벌집 구조 기반 신축성 리튬이온 배터리”에서도 이미 제안되었습니다.

출처: Phys.org

회사는 10분 만에 600km 주행 거리를 추가할 수 있는 새로운 LFP(리튬-철-인산) 배터리를 발표했습니다. 전체 주행 거리는 1,000km(600마일) 이상이 될 수 있어 미래 전기차 소유자의 모든 “주행 거리 불안”을 완전히 해소합니다.

전체적으로 이는 1초당 1km에 해당하는 주행 거리를 충전할 수 있다는 의미이며, 1,000km를 완전히 충전하는 데 16.6분이 걸립니다.

새로운 밀도 기록

This impressive range is possible because “Shenxing 배터리 시스템의 에너지 밀도가 처음으로 200 Wh/kg 한계를 넘어 205 Wh/kg에 도달했습니다”.

이는 충전 중 재료가 제자리에 머물게 하여 균열과 수축을 방지하는 “벌집” 구조 덕분에 달성되었습니다.

물론 회사는 제조 공정 세부 사항에 대해 비교적 비밀을 유지하고 있습니다. 배터리 기술은 현재 세계에서 가장 경쟁이 치열한 분야 중 하나이며, 특히 BYD의 차세대 블레이드 배터리가 190 Wh/kg에 도달할 것으로 예상됩니다와 같은 사례가 있습니다.

제조 비밀

We do know that they used something called “granular gradation/nanometer encapsulation,” which can place every nanometer particle within the cell in the right spot. They also mentioned “fast lithium-ion conductive coating” to speed up the energy transmission between the 2 poles of the battery.

CATL 공장은 고도로 자동화되어 있으며, 플래그십 공장에서 새로운 LFP 배터리를 1초에 하나씩 생산할 수 있습니다.

2021년 과학 논문에 따르면, 벌집 형태의 주요 장점은 낮은 밀도와 높은 면외 압축·전단 특성(재료가 평행하지만 반대 방향으로 작용하는 힘에 대한 저항)입니다.

벌집 그래핀 배열은 실리콘 나노입자 응집을 효과적으로 방지하고 전기 전도성을 향상시키며 Li+ 전송 저항을 감소시킵니다.

CATL이 정확히 어떻게 구현했는지는 명확하지 않지만, 알려진 방법으로는 탄소와 산을 이용한 연속적인 열·화학 처리로 나노 벌집 구조를 만들 수 있습니다.

기타 개선 사항

In battery tech, every improvement counts as they can compound each other to make the battery denser. In turn, this reduces the volume of battery needed for a certain mileage. This then reduces the total weight, further increasing the range and/or the batteries needed.

벌집 구조와 병행하여 CATL은 몇 가지 다른 개선 사항도 발표했습니다. 새로운 배터리 밀도를 높이는 요인 중 하나는 최적화된 셀‑투‑바디 기술(CTB)로, 배터리 팩 내 배터리가 차지하는 공간을 최적화합니다. 이로 인해 부피 효율성이 7% 향상되었습니다.

다른 특징으로는 초고냉각 효율 고전압 박스가 있어 냉각 시스템에 의한 전력 소비를 줄이며, AI 기반 배터리 관리 시스템 알고리즘이 배터리 안전성을 보장합니다.

충전 인프라

The infrastructure to charge EVs has been a limiting factor for a long time, mostly because you need a network as dense as currently existing fuel stations to avoid long waiting times and gaps in the charging network in remote areas. However, another issue is creeping in, which is the capacity of these charging stations.

배터리가 대용량 전력 부하와 급속 충전을 처리할 수 있게 되면서, 충전소 자체도 더 높은 용량을 필요로 합니다. 1,000km를 16분 만에 충전하려면 4C 충전 프로세스가 필요하며, 이는 100 kWh 배터리당 400 kW의 거대한 충전 전력이 요구됩니다.

이러한 이유로 CATL은 당시 충전 인프라 시장에 진출한다고 발표했습니다. 중국에서 Shenxing 초고속 충전 네트워크를 구축할 예정이며, Star Charge, YKC, Shudao New Energy와 같은 업계 선도 파트너와 협력합니다.

전체적으로 31개 도·시·자치구역의 271개 시·군·구를 아우르는 600개의 서비스 아울렛을 계획하고 있습니다. 배터리, 충전 네트워크, 배터리 검사·정비와 같은 서비스를 제공하여 폐쇄형 생태계를 만들고자 합니다.

LFP 및 전기차를 넘어

유틸리티 규모

CATL is increasingly active in the utility-scale battery market, with seemingly a renewed interest in using lithium-based chemistry, after considering sodium-ion instead.

특히 TENER 컨테이너형 배터리 시스템을 활용한 파일럿 프로젝트가 5년 전체 운영 후 용량 감소가 전혀 없음을 입증했다고 선언했습니다.

출처: Sustainability Environment

The honeycomb structure is likely becoming a central part of CATL’s battery architecture. While not explicitly stated as such, this is probably what CATL referred to when talking about TENER:

To realize TENER, the company used an SEI with biomimetic ion channels and high stability, together with self-assembled electrolyte technologies creating what it calls an “ageless energy storage system.

Based on state-of-the-art technology and extreme manufacturing capabilities, we have solved the challenges of highly active lithium metals […], which effectively helps prevent the thermal instability caused by the oxidation reaction,”

This unprecedented performance of TENER could completely change the equation for fixed battery storage, as no degradation means a much-improved safety profile. It also changes the calculus of amortization by promising a much more lasting battery pack, a key point for utility companies.

So other chemistry could still win this market, as we discussed in “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”. But it is also possible that lithium ends up winning the utility market, which is much larger than even the gigantic and growing EV market.

응축 상태

It is also possible that honeycomb structures are behind the “condensed state” battery revealed in 2023 and expected to be commercialized soon.

These lithium batteries (not LFP) are claimed to display a 500 Wh/kg energy density, or 2.5x larger than the recently announced LFP batteries.

No price tag has been announced for this project, so the upcoming line-up from CATL seems to be as such:

  1. 고급 EV 및 전기 동력 항공기와 같은 새로운 시장을 위한 500 Wh/kg의 응축 상태 배터리.
  2. 중간 가격대 EV를 위한 200 Wh/kg의 고급 LFP 배터리, 적절한 충전 인프라가 있으면 16분 내에 1,000km 충전 가능.
  3. 저비용 EV를 위한 소형 주행 거리의 나트륨이온 배터리.

It is not clear where solid-state batteries would fit in that mix. Some investors might even be concerned that the 1st generation of solid-state design could be outcompeted by the scale of production of CATL’s advanced LFP and condensed-state batteries.

출처: Nature

첨단 배터리 기술에 투자하기

Batteries are at the center of the trend of electrification, itself a major multi-trillion-dollar endeavor looking to remove fossil fuels from our power sources.

You can invest in battery-related companies through many brokers, and you can find here, on securities.io, our recommendations for the best brokers in the USA, Canada, Australia, the UK, as well as many other countries.

If you are not interested in picking specific battery companies, you can also look into battery ETFs like Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), or the WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), which will provide a more diversified exposure to capitalize on the growing battery industry.

첨단 배터리 기업

1. CATL (300750.SZ)

We talked already of CATL technological lead. The company is the global leader in battery manufacturing, producing more than half of the global battery volume. It is present at every step of the battery manufacturing supply chain and is a leader in battery technology.

This is true for lithium-ion batteries, where the company has been a long-established leader for a long time. Now it looks small in comparison to the latest announcement.

CATL has also announced in the past impressive progress on multiple other battery types :

출처: CATL

Source: CATL

CATL has also invested 3.25B in battery recycling capacities in China. CATL has notably achieved a remarkable recovery rate of 99.6% for nickel, cobalt, manganese, and 91% for lithium.

Thanks to its scale, focus, and R&D achievements, CATL is likely to be at the forefront of battery innovation, manufacturing, and recycling.

This makes it a key partner for EV manufacturers, including Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis, etc, with Hyundai recently added to CATL growing rooster of strategic alliances.

In addition, the lessons learned in one chemistry can be applicable in another, so we might see soon honeycomb or condensed-state sodium-ion batteries for example. The economies of scale in producing half of the world’s batteries are also likely applicable to the whole company, regardless of the specific technology used in an individual product.

2. BYD (BYDDY)

A long-time challenger of Tesla in the EV market, BYD has become a serious competitor not only for Tesla but for virtually all automakers.

The company evolved from its origin as a supplier of lithium-ion phone batteries to selling almost as many EVs as Tesla in China (the world’s largest EV market) and being the best-selling EV in Thailand, Sweden, Australia, New Zealand, Singapore, Israel, and Brazil.

BYD is a large part of why China suddenly became the world’s largest car exporter in 2023, surpassing Japan. The company’s aggressive overseas expansion is also carried by new factories, like in Hungary.

And with the release of $10,000-$12,000 cars like the Seagul, using sodium batteries, a whole new market might open for BYD EVs.

Still a battery manufacturer at its core, BYD is a serious challenger to CATL in the LFP (lithium iron phosphate) battery market, with a 41.1% market share in China (compared to CATL’s 33.9%).

The “flood” of cheap EVs produced by BYD into the European and American markets is likely to be met with some level of protectionism (even above the recently imposed tariffs), which could hinder BYD’s growth.

But at the same time, cheap Chinese EVs are already a great success in the rest of the world, which does not have incumbents much in the way of domestic automakers to protect, including the entirety of South America, Russia, Africa, the Middle East, and Southeast Asia.

This represents several billion potential customers for BYD, living in countries eager to strike a geopolitical balance and stay on good terms with both the West and China, so it is unlikely to create too strong protectionist barriers.

And even in the EU or the USA, BYD might stay competitive, thanks to the much higher prices of local EV manufacturers compared to prices in China, as well as localization of the production out of China for these markets, like, for example, in Eastern Europe, Mexico, or Turkey.

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Jonathan은 유전 분석 및 임상 시험을 수행한 전직 생화학 연구원입니다. 그는 현재 주식 분석가이자 금융 작가이며, 혁신, 시장 주기 및 지정학에 초점을 맞춘 출판물 'The Eurasian Century'을 운영하고 있습니다.