리튬-황·전고체 등 차세대 배터리 주목

소형모바일·ESS·고용량 전기차 구현 등 활용

LG·삼성·SK등 주도, 양산 목표 개발 추진

■국내외 선도기관

리튬금속전극, 리튬-황, 전고체 전해질 기술 및 니켈 고함량 양극재 기술 분야 국내외 선도 연구기관은 아래 표와 같다.

■산업동향

차세대 배터리인 리튬금속 전지, 리튬-황 전지, 전고체 전지는 현재 개발 중이며 서로 중첩되는 부분도 있어 정확한 시장규모를 예측하기 어렵다.

그러나 본문에 기재한 차세대 배터리는 현재 상용화되어 주력을 이루고 있는 리튬이온 전지 시장을 대체할 가능성이 높아 리튬이온 전지의 시장규모와 전망에 덧붙여 차세대 배터리를 통해서만 가능해지는 신규 응용처에 대한 예측을 함께 고려하는 것이 가장 합리적인 것으로 판단된다.

차세대 배터리가 새롭게 확대될 응용처로는 다양화되는 소형 모바일 전자기기, 신재생에너지 생산 증가에 따른 ESS의 용량 증대, 그리고 내연기관차의 주행거리 추월을 위한 고용량 전기차 구현 등이 있다.

특히, 2030년에는 전기차 배터리 수요가 1,300GWh로 2016년 21GWh에 비해 폭발적으로 증가할 전망이며 이에 따라 고용량 차세대 배터리 생산이 시장 주도의 핵심 역할이 될 것으로 전망된다.

■국내동향

1) 이차전지 산업의 동향

국회예산정책처의 2020년 10월호 ‘경제·산업동향&이슈’는 글로벌 및 국내 이차전지 산업의 현황을 발표하였다. 국내 이차전지 산업은 2019년 수출 64.1억 달러였으며, 이중 리튬이온 전지 수출은 46.8억 달러로 73.0%의 비중을 차지하였다. 2015년 이후 연평균 16.2%의 성장률로 2019년은 세계 리튬이온 전지 수출의 13.5%를 차지하였다. 코로나-19 확산으로 2020년 1~8월까지는 리튬이온 전지는 전년 동기대비 3.4% 감소한 30억 달러를 기록하고 있다.

리튬이온 전지 수출은 전기자동차 주요 수출국인 독일, 미국, 중국 대상으로 이루어지고 있으며, 국내 이차전지 수출 특화상태로 수출경쟁력이 높은 상태이다. 그러나 이차전지 주요 원재료 소재들은 수입의존도가 높은 편이다.

포스코 경영연구원의 2018년 5월 10일자 ‘2025년 리튬 수급 전망: 일시적 공급 초과 불구 전반적인 공급 부족 지속’ 리포트에 의하면 전기차용 배터리 수요가 리튬 수요를 견인하고 있으며, 신규 설비 물량이 집중되는 2021~2022년에는 한시적인 공급 초과가 발생할 수 있으나 궁극적으로 2025년에는 총 공급량 638,665톤, 수요량 707,717톤으로 공급이 부족할 것으로 전망하고 있다. 배터리 성능 향상 및 가격 하락은 피할 수 없는 이차전지 산업동향으로 리튬이온 전지가 차세대 배터리로 점차 대체되며 이차전지 산업의 현재 동향을 지속할 것으로 전망된다.

2) 기업 현황

국내에서는 기존 리튬이온 전지 배터리의 ‘빅3’인 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션에서 주도적으로 차세대 전지 양산을 목표로 개발을 진행하고 있다.

배터리 3사는 2018년 경쟁 관계에서 개별 연구 대응을 넘어 국제적 시장 경쟁력 확보를 위해 2020년부터 ‘전고체 전지, 리튬-황 전지, 리튬금속 전지’ 개발에 세부 과제를 두고 연구개발을 진행할 방침으로 산업통상자원부와 함께 ‘차세대배터리 펀드 결성 및 공동 R&D 추진 업무협약(MOU)’을 체결하였다.

현재는 LG화학, 삼성SDI, 현대자동차가 수요기업으로 참여하는 산업통상자원부의 ‘리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술개발사업’이 2020년 시작이 되었다. 차세대 배터리 개발 및 상업화를 위한 국내 기업 현황을 아래에 간단히 정리하였다.

각 기업의 개발 방향을 보면, LG화학은 2025년까지 현재 리튬이온 전지의 2배의 에너지 밀도를 갖는 리튬-황 전지 양산을 계획하고 연구개발을 진행 중이다. 최근 자체 개발한 리튬-황 전지를 탑재한 무인기를 통해 영하 70도, 저기압의 성층권 환경에서의 성능을 확인하였다.

전고체 전지 상용화는 자체 연구와 함께 전술한 ‘리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술개발사업’과제에 참여하여 연구개발을 진행 중이다. 삼성종합기술원은 전고체 전지 분야에서 두각을 나타내고 있으며, 올해 3월 1회 충전에 전기차 800km 주행이 가능한 전고체 전지 개발을 발표하였다.

삼성SDI는 최근 혁신기술을 발표하고, 2027년 ‘전고체 전지’ 상용화를 목표로 연구개발 중이다. SK이노베이션은 리튬금속 전지 개발을 위해 해외 주요 연구소, 대학과의 네트워크를 구축 중이며, 최근 미국 배터리 기술 업체와 공동 개발 협약을 맺었다.

또, 국내 중소기업 ‘니바(NEBA)’에서는 해외 수입에 의존해 왔던 리튬금속 자체를 국내에서 양산하기 위해 전지용 리튬금속 제조기술을 확보하고 양산을 준비 중이다. 현대차 그룹은 2025년까지 출시 예정인 친환경차의 절반 이상을 순수전기차로 계획하고 LG, 삼성, SK와 협력관계를 공고히 하고 있다.

리튬금속 전지, 리튬-황 전지, 전고체 전지에 대해 기술협력을 진행하고 있을 뿐만 아니라, 남양연구소 배터리선행개발팀을 중심으로 전고체 전지를 독자 개발하며 관련 기술을 확보하고 있다. 더불어 미국의 전고체 전지 스타트업 기업인 아이오닉 머터리얼스(Ionic Materials)에 500만 달러를 투자하여 전고체 전지를 탑재한 전기차를 양산할 계획을 세우고 있다.

■해외동향

국회예산정책처에 의하면 2015년 파리기후협약 이후 배기가스 배출량 할당과 환경규제 실시로 인해 친환경차 보급이 확대되고, 각국의 자동차 회사들이 전기자동차 판매 대수를 확대함에 따라 배터리 시장도 성장세를 나타낸다고 보고하고 있다. 2019년 전기자동차에 사용되는 리튬이온 전지 글로벌 출하 용량은 133.1GWh로 2018년 대비 17.6% 증가한 것이며, 중국 4개 기업의 점유율이 제일 높은 41.8%이며, 그 다음으로 일본 3개 기업이 29.3%, 한국 3개 기업이 15.8%로 한·중·일 3국의 기업이 전 세계 시장 86.9%를 점유하고 있다.

1) 차세대 배터리 글로벌 시장 전망

Lux Research는 차세대 배터리가 주목할 만한 시장 점유율을 확보하기 위해서는 2030년은 되어야 할 것으로 보았다. 2030년에 운송 분야에 적용되는 배터리 중 6% 수준을 차세대 전지가 점유할 것으로 예측하였으며, 2035년에는 20% 수준을 점유하며 점차 그 점유율을 높여갈 것으로 예측하였다. 특히 이 중에서도 리튬-황 전지는 2030년 60억 달러에서 2035년 290억 달러로, 전고체 전지는 2030년 30억 달러에서 2036년 420억 달러로 그 점유율을 늘려갈 것으로 보고 있다.

일본 NEDO에 따르면 2040년 약 6천만 대의 EVs, PHEVs가 판매될 것으로 예측하며 이 중 60% 가량이 전고체 전지를, 나머지 40%가 리튬-황과 같은 다른 차세대 배터리를 사용할 것으로 예측하고 있다.

전고체 전지는 아직 전기차의 전원으로 사용되지 않으나, 의료용도를 위한 박형 전지로 상업화되어 있어 이를 바탕으로 한 시장규모와 전망은 살펴볼 수 있다. KIST 기술정책연구소에 따르면 전 세계 전고체 전지 기술 시장은 연평균 34.2%의 성장률을 보이며, 2019년 6,420만 달러에서 2027년 4억 8,250만 달러까지 확대될 전망이다<표 10>. 주로 의료기기나 무선 센서에서 사용되던 전고체 배터리의 수요가 전기 자동차나 에너지 하베스팅 분야에서도 증가하면서 전고체 전지의 시장 가치는 계속해서 높아지고 있다.

2020년 기준 가장 큰 시장규모를 차지하는 것은 의료기기 분야이다. 신경 자극기나 심박 조율기와 같은 이식형 의료기기에 사용하기 위해서는 인체에 무해하면서도 장기간 안정적인 전원을 공급할 수 있는 배터리가 필요하므로 전고체 전지가 주로 사용된다. 최근에는 유연성을 갖는 얇은 배터리를 사용하는 의료기기가 개발되고 있어, 성능뿐만 아니라 크기나 유연성 면에서도 적합한 전고체 전지가 꾸준히 사용될 전망이다. SNE 리서치에 따르면 전고체 전지를 탑재한 전기자동차는 2030년 200만대로 전기자동차 시장의 10%를 차지할 전망이다.

2) 기업 현황

리튬금속 전지 관련 미국 폴리플러스 배터리 컴퍼니(PolyPlus Battery Company)는 리튬금속 전지 상용화를 위해 전도성 유리 분리막을 개발하였으며, 합작을 통해 상용화를 시도하고 있다.

미국 MIT에서 시작한 리튬금속전지 기업인 SolidEnergy Systems는 20106년에 리튬금속/고용량 니켈 기반 양극의 리튬금속 전지가 차세대 전지가 될 것이라고 예측하였다.

SolidEnergy Systems는 현재 prototype 리튬금속 전지를 판매 중이며, 개발 연구를 진행하고 있다. 프랑스 Bollore는 고체 폴리머 전해질을 사용하여 리튬메탈 폴리머전지를 상용화하였다. Bollore가 개발한 압출 기술로 제작된 박막 배터리는 높은 에너지 밀도와 사용 안전성으로 주목받고 있지만, 낮은 이온전도도로 인해 높은 셀 온도가 요구된다. 작동 온도는 60~80℃로 온도 범위가 좁고, 열 관리를 위한 팩 기술이 필요하다.

미국의 Albermarle은 전 세계 리튬 생산 1위 업체로서 수요에 따른 안정적인 생산 구조를 갖추고 있으므로 차세대 리튬금속 전지 시장에서 상당한 경쟁력을 가지고 있다고 볼 수 있다. 미국의 어플라이드 머티리얼즈(Applied Materials)는 반도체 공정기술과 박막화 소재를 결합하여 박막 고체 전해질을 개발하였다.

리튬금속 전지에서도 언급된 솔리드에너지(SolidEnergy)는 미국 General Motors Ventures 등으로부터 총 5,450만 달러를 출자받았으며, 리튬금속 음극을 이용한 전고체 전지를 2017년에 개발하였다.

영국의 Oxis Energy는 리튬-황 전지가 높은 비에너지를 가질 뿐 아니라 높은 압력에도 잘 견디고 안정성이 높은 장점을 활용해 우주나 항공, 해저 시스템에서 적용할 수 있는 리튬-황 전지를 개발하고 있다.

현재 셀 수준에서 450Wh/kg를 달성하였다고 발표하였으며 미국 항공기 제조사인 Bye Aerospace와 협력하여 500Wh/kg급 리튬-황 전지를 출시할 것이며 브라질 내의 모든 디젤 버스를 향후 25년 이내에 교체할 계획이라고 발표하였다.

미국의 Sion Power Corporation은 음극을 보호하고 전지의 수명 동안 많은 전하가 사용될 수 있도록 분리막 주위에 리튬과 황 기반의 전극 필름을 사이에 끼워 넣은 리튬-황 전지를 개발 중이다.

미국의 Polyplus Battery Company에서는 400~600Wh/kg의 에너지 밀도를 갖는 수성 리튬-황 전지를 개발 중이며, 상업용 및 군사용 시장에 보급하기 위한 노력을 하고 있다.

일본은 전고체 전지에서 가장 앞선 기술을 보유하고 있으며, 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)의 주도로 약 9,000만 달러 규모의 전기자동차용 전고체 전지 개발 프로젝트를 시작했다.

NEDO는 토요타, 닛산, 혼다 등 완성차 업체 4개사를 포함한 23개의 대기업과 15개의 주요 대학 및 연구기관이 연대하여 2022년까지 전고체 전지 핵심기술을 개발하고, 기존 리튬이온 전지 대비 3배의 에너지 밀도를 달성하며 원가와 충전 시간을 3분의 1로 절감하겠다는 목표를 공표한 바 있다.

또, 전고체 전지 양산개발에 가장 적극적인 업체인 일본 토요타자동차는 산학협력 공동개발을 통해 황화물계 고체전지 개발을 진행 중이다. 토요타는 이미 상당한 기술개발 성과를 이루어 전고체 전지의 전기차를 시험 주행하고 있으며, 2022년 전고체 전지의 전기자동차 출시를 목표로 하고 있다.

유럽에서는 2018년 10월 전기자동차 및 에너지 저장장치 배터리의 신소재 개발을 위한 지역 간 파트너십을 체결하였으며 이 중 독일에서 전고체 리튬 이온 배터리, 4세대 개발이라는 과제를 맡아 수행하고 있다. 독일의 폭스바겐사는 미국 스탠포드대학교 내 스타트업인 퀀텀스케이프(QuantumScape)를 인수하여 2025년경 전고체 전지를 탑재한 전기차를 상용화할 계획을 발표하였다. 영국의 다이슨(Dyson)은 우수한 모터 기술력과 전고체 전지 기술을 결합하여 전기자동차 시장에 진출할 기회를 보고 있으며, 2015년에 전고체 전지 업체인 Sakti3를 인수하였다.

중국은 CATL(Contemporary Amperex Technology)을 필두로 2020년 상용화를 목표로 전고체 전지를 연구 중이나 상당히 늦어질 것으로 전망된다. 중국의 칭다오에너지(Qingdao Energy Development)는 2018년 11월 10억 위안(약 1,600억 원)을 투자해 세계 최초 전고체 전지 양산라인(연 100MWh 규모, 장쑤성 쿤산시)을 구축하였다.

▲ 리튬-황 기술-국내선도연구기관

▲ 리튬금속전극기술-국내선도연구기관

▲ 리튬금속전극기술-해외선도연구기관

▲ 리튬-황 기술-해외선도연구기관

▲ 전고체 전해질 기술-국내선도연구기관

▲ 전고체 전해질 기술-해외선도연구기관

▲ 니켈 고함량 양극재기술-해외선도연구기관