▲ 김헌수 고성능 이차전지 소재사업단장 .

때이른 더위와 원전 가동중단으로 ‘블랙아웃’을 염려하는 목소리가 여기저기서 나오고 있다. 현재의 전력수급 위기에서 볼 수 있듯이 전력 부하조절은 국가경제와 국민생활에 지대한 영향을 미친다. 그러나 현재는 화석연료를 기반으로 한 발전량을 늘리거나 절전밖에 뚜렷한 답이 없는 상황이다.

이 때문에 전기가 남을 때 저장하고 부족할 때 쓸 수 있는 에너지저장장치가 주목받고 있다. 출력이 불안정한 신재생에너지 발전을 확대하고 활용하기 위해서도 꼭 필요하다.

우리나라 정부는 2015년부터 1,000kW급 이상의 전력을 사용하는 신축건물에 ESS(에너지저장시스템)를 의무적으로 설치하는 방안을 추진 중이며 특히 100kWh급 압축공기에너지저장시스템과 리튬이온전지에 향후 5년간 3,000억원을 투입해 실증사업을 추진할 예정이다.

이차전지 중 대표주자인 리튬이온전지(LIB)는 일본 소니가 1991년 시장에 선보인 이래 90년대 후반부터 빠르게 확대됐다. 고용량에 작고 가벼워 휴대폰, 노트북 등에 널리 쓰이고 있다. 전기자동차, 에너지저장장치(ESS)와 같은 중대형 수요시장에 적용될 것으로 예상되고 있으며 이를 위해 고출력, 고안전성, 고용량, 저가격을 만족하기 위한 소재기술 개발이 요구되고 있다.
이차전지는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등 4대 소재부품이 핵심을 이룬다. 삼성SDI가 총괄주관을 맡은 고성능 이차전지소재 사업단은 △전기자동차용 양극소재(세부주관 L&F신소재) △전기자동차용 음극소재(삼성SDI) △에너지 저장용 양극소재(한국유미코아) △에너지 저장용 음극소재(포스코켐텍) 등 개발에 나서고 있다.

이 중 자동차용 이차전지 소재는 항속거리 증대를 위한 고용량화에, 에너지저장용은 저가격화에 중점을 두고 기술개발이 추진되고 있다.

사업단은 세계 전지소재 시장의 30%를 점유하고 2019년 매출 3조8,000억원과 1만명의 신규고용창출을 기대하고 있다.

▲ 사업단 구성원.

■ 1단계 868억 자체 투자, 가시적 성과

사업단은 1단계 사업을 진행하는 30개월간 개발 및 사업화에 868억원을 자체 투자해 225명의 신규 R&D·기술·생산인력을 고용하는 성과를 거뒀다.

연구분야에서는 세계 최고 수준의 전기자동차용 고에너지 밀도 양극활물질 소재를 개발하는데 성공했다. 양극활 물질 중 하나인 리튬니켈코발트망간계(NCM) 622조성에서 180mAh/g 수준의 방전용량을 달성한 것이다.

에너지 저장용에서도 양극활물질(리튬인산철)에서 파일럿 기준 160mAh/g 달성했다. 한국유미코아는 Pryon社와 리튬인산철 소재생산을 위한 합작회사를 설립했다.

전기자동차 및 에너지저장용 고용량 음극활물질 소재도 개발했다. 고용량 음극소재로서 미국, 일본 등에서 개발하고 있는 실리콘(Si)을 이용한 실리콘 합금으로 방전용량 ~1,800mAh/g 수준에 도달했고, x량에 따라 용량이 변하는 나노 산화 실리콘(SiOx)계 소재로 방전용량 ~1,600mAh/g을 달성했다.

이밖에 관련 특허출원은 국내 70건, 해외 31건에 달하고 논문발표도 국내 29건, 해외 29건을 기록했다.

車용 고용량화, ESS용 저가격화 중점

원료 수급~전지적용평가 수직계열화

▲ 삼성SDI-MK전자의 동반성장 사례 .

■ 삼성SDI, “중소·중견기업 육성이 경쟁력”

사업단의 총괄주관인 삼성SDI는 이번 WPM사업 성공여부가 전지소재 중소·중견기업을 얼마나 잘 육성하느냐에 있다고 믿고 이들 기업들이 개발하는 소재가 빠른 시일에 상용화 될 수 있도록 적극적으로 지원에 나섰다.

반도체 소재부품 전문기업인 MK전자와의 협력이 대표적인 사례다. 삼성SDI 중앙연구소에서는 고용량 음극소재 개발을 위한 R&D를 수행하면서 유력한 후보소재로 Si 합금계 음극 소재를 발굴했다.

그러나 당시 이를 제조할 수 있는 국내업체가 없었다.

그러던 와중에 반도체용 Boding wire와 Solder ball을 생산하고 있는 MK전자가 유사한 기술을 가진 것으로 알려져 삼성SDI는 제품화(공동개발)를 제안했고 MK전자의 보유 장비를 활용한 연구개발이 진행됐다.

양사는 각각 전담 개발팀을 구성해 MK전자 현장에 투입했다. 삼성SDI는 MK전자의 제조 장치를 지속적으로 개선해 Si(실리콘)합금 소재의 품질 향상을 진행했으며 개발소재의 전지적용평가 기술을 기술세미나와 표준화를 통해 전수했다.

삼성SDI는 향후 MK전자와 결과물에 대한 공동특허출원으로 공동 권리를 확보할 계획이며, MK전자에서는 Si 합금계 음극소재를 신사업으로 추진할 계획이다. 중소기업인 MK전자가 대기업과의 협력으로 세계 최고 특성과 원가 경쟁력을 가진 소재 중견기업으로 도약하는 발판을 마련했다는 점에서 주목할만한 동반성장 사례로 남게 됐다.

▲ 사업단은 저가격을 기본으로 고용량, 고출력, 고안정성 기술을 개발하는 것을 목표로 삼고 있다..

■ 2단계, 1,250억 투자 사업화 나선다

사업단은 2단계에 양·음극 소재를 이차전지에 적용하기 위한 성능 최적화와 경쟁력 있는 소재 사업화를 위한 공법 개발에 나서게 된다.

이에 2단계 사업에서 원자재 수급부터 공정개발, 연구개발, 제조기술개발, 전지적용평가에 이르는 사업의 수직 계열화를 구축하고 긴밀한 협력체계를 구축한다는 계획이다.

또한 1단계에서 개발된 소재의 스케일업과 고가 금속소재 재활용 기술 등을 보완하고 1단계에서 선정된 소재의 성능을 더욱 향상시키고, 원가 경쟁력을 가질 수 있도록 제조 공법을 개발하여 소재를 스케일 업(Scale up)할 예정이다.

이후 3단계에서는 사업단에서 소재의 양산 역할을 담당하고 있는 중소·중견기업을 중심으로 소재 사업화 기반을 구축하고 대량 생산 및 원가저감 기술을 개발해 수요처를 확보할 계획이다.

사업단은 2단계 사업에 자체R&D 382억원, 사업화투자 868억원 등 총 1,250억원을 투자할 계획이다. 이를 통해 495명의 고용창출 효과를 기대하고 있다.

▲ 이차전지 양극재.