개발도상국을 중심으로 1인당 에너지 수요는 지속적으로 늘어나고 있다.

전 세계 에너지시장도 생산의 효율화에서 사용효율의 극대화로 변화하고 있으며, 중앙 집중형 발전에서 분산발전의 중요성이 증대되고 있다.

이처럼 에너지 사용의 환경변화와 신재생에너지 기술의 발전으로 전력저장용 배터리에 대한 중요성이 인식되고 있다.

일본의 쇼와셀은 가정용 전지사업을 강화하고 있으며, 쇼와홈가스는 태양전지를 판매하는 등 에너지 자원의 패러다임이 변화하고 있다.

특히 대용량 전력저장시장은 앞으로 일어날 시장으로 마켓 창출형 시장이라 할 수 있다. 전극소재부문에 있어 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액 등 4대 소재가 핵심을 이루고 있다.

그 중에서도 양극재료는 경쟁사들 간의 독자적인 기술화로 가속화가 되고 있으며, 코발트계의 양극재료가 성능면에서는 우수하지만 가격이 높아 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

현재 非코발트계의 양극재료에 대한 연구개발이 진행되고 있다. 또 적층밀도에 따라 충방전 시간과 밀접한 관계가 있어 나노구조화에 대한 연구도 필요하다.

■EV·전력저장用 고용량, 고안전성, 저가격소재 개발 목표

최근 이차전지는 전기자동차(EV)와 친환경 에너지저장시스템으로 주목을 받으며 이들 산업발전에 필수적인 요소로 자리잡고 있다.

특히 이러한 이차전지의 에너지저장을 담당하는 핵심소재인 양극 및 음극의 전극소재 개발을 통해 종래의 이차전지 성능의 한계를 극복하고 글로벌 경쟁력을 확보한 소재로 키우기 위해 원천기술을 확보하려는 노력이 시도되고 있다.

아울러 이차전지시장도 기존의 IT기기 전원 중심에서 혁신기술을 발판삼아 非IT기기로 영역을 확장하고 있다. 특히 EV 등의 수송용, 태양광·풍력발전 등의 중대형 전력저장용 등의 배터리로 핵심시장이 변모하고 있는 것이다.

이차전지산업의 패러다임이 이처럼 변화하고 있지만, 아직 우리나라는 중대형 리튬이온전지용 전극소재 국산화율이 30%에 불과하고 있는 등 분발이 필요한 시점이다.

전극소재의 국내외 시장은 2015년 국내 1조4,000억원, 세계 3조5,000억원 규모로, 2018년 세계시장은 약 7조원 규모로 성장할 것으로 예상된다.

이차전지의 에너지저장 핵심소재인 전극소재를 기존 소재 대비 고에너지, 고출력, 경량화, 고수명화, 고안전성 및 저가 구현 가능한 소재를 개발하기 위해 정부는 이번 WPM에 전극소재 개발 사업을 추진하게 된 것이다. 현재 각각 170㎃h/g, 380㎃h/g에 머무는 리튬이차전지의 양극, 음극 용량을 190㎃h/g, 550㎃h/g 이상으로 올리게 되면 고율 충방전이 가능한 소재로 경쟁력을 갖추게 된다.

양극소재 연구는 1991년 LCD 양극소재 적용 리튬이차전지의 최초 상용화 이후 대체 연구가 활발한 분야이다. 일부의 국산화에 성공했으나, 시장 점유율은 미비한 수준이다.

음극소재는 일본과 벨기에 기업이 독점하고 있으며, 카본계가 전체시장을 점유하고 있다. 양극소재와 달리 이 분야의 국산화율은 ‘Zero’로 매우 취약하다.

현재 전극소재산업은 자원의 편재와 선진국의 독점으로 어려움을 겪고 있다. 일본의 기술보호 정책과 중국과의 기술격차의 급감으로 경쟁이 심화되고 있다. 하지만 글로벌 규모의 국내 수요기업을 보유하고 있는 만큼 전지수요는 확대될 것으로 예상된다.

최근 가장 각광을 받고 있는 EV 및 전력저장용 리튬이차전지는 2015년 250억불 이상의 시장을 형성할 것으로 전망된다. 여기에 사용되는 핵심인 전극소재시장도 100억달러 이상이 될 것으로 예측되고 있다.

국내 리튬이차전지산업은 비교적 짧은 기간에 양산화에 성공해 세계 2위권의 시장을 점유하고 있으나, 중소기업이 주축인 소재산업의 기술수준은 일본에 비해 현저히 뒤쳐져 있는 상황이다.

특히 글로벌 환경 규제에 따라 EV와 전력저장용 이차전지시장이 미래 신성장동력으로 주목받고 있음에도 불구하고 이에 사용되는 전극소재는 국산화율이 낮은 수준에 불과하다.

▲ 이차전지 시장규모.

세계적인 수준에 근접하고 있는 국내 이차전지산업의 가격경쟁력 확보를 위해서는 60% 이상을 차지하고 있는 재료비 절감이 필수적으로 요구되며, 특히 재료비의 50% 이상을 차지하는 전극소재를 범국가적인 혁신기술 개발을 통해 제조단가 당 리튬이온 에너지 저장량을 현저히 높여야만 한다.

전지제조업체의 시장점유율이 일본 업체에 비해 충분히 성장하였기 때문에 핵심소재에 대한 정부주도의 인프라 구축 및 연구개발 지원이 이뤄진다면 산·학·연 간의 공동연구를 기반으로 글로벌 기술선도가 가능한 이차전지 전극소재 개발이 가능할 것으로 예상된다.

상대적으로 많은 어려움이 있는 음극소재분야는 카본계 음극소재의 저가화 기술개발과 아울러 실리콘계 등의 금속계 및 복합계 또는 산화물계로의 빠른 전환기술을 조속히 개발한다면 이를 선점해 제품화할 수 있을 전망이다.

전극소재 개발의 최종 목표는 글로벌 기술선도가 가능한 고효율, 친환경 리튬이온 이차전지 전극소재 개발이다.

EV의 주행거리를 연장하기 위해서는 양극소재의 개발이, 흑연계 음극재의 용량의 한계를 극복하기 위한 고용량 음극소재 개발이 시급하다.

스마트그리드 등의 전력저장용 대형 리튬이차전지 수요를 충족하기 위해 MW급 시스템이 필요하며, 흑연계 대비 가격경쟁력을 갖출 수 있는 음극소재 개발이 필요하다.

양극소재로 EV용은 에너지밀도 700Wh/kg 이상의 고에너지 30Wh/US$급, 에너지저장용은 에너지밀도 500Wh/kg 이상의 고효율 50Wh/US$급 개발이다.

한편 음극소재로는 에너지밀도 2,000Wh/kg 이상의 EV용 고에너지 150Wh/US$급, 에너지저장용은 에너지밀도 에너지밀도 1,700Wh/kg 이상의 고효율 125Wh/US$급을 개발 중이다.

현재 양극소재는 한국유미코아를 필두로 엘엔에프신소재, 새한미디어, 에코프로, 대정EM 등이 개발하고 있다. 또 한화케미칼에서 오는 10월 양극재로 사용되는 LFP(LiFePO4, 리튬 인산 철)를 초임계 수열합성 공정의 생산공장을 건설해 관련 사업을 주도한다는 계획이다.

한편, 음극소재는 OCI머티리얼즈(舊소디프신소재)가 이끌고 있다.

이러한 사업을 통해 고용량 신규 양극·음극소재의 원천기술을 확보하게 되며, 신규 전극소재의 저가화를 위한 공정 최적화 기술을 보유하게 된다. 또 신규 전극소재용 전구체 제조기술 및 저가화를 위한 공정최적화 기술을 확보하게 되며, 전극소재 표면 안정화 기술도 갖출 수 있게 된다.

앞에서도 언급했듯이 2018년 세계 전극시장 7조원에서 40%를 점유해 2조8,000억원의 매출을 예상하고 있다. 또한 2,000명의 신규 고용인력 창출효과를 거둘 것으로 예측된다.

▲ 고에너지 이차전지용 전극소재 기술 흐름.