차세대 이차전지, 소재혁이 성능·안전 좌우

韓, 고니켈 양극·실리콘 음극 외 소듐·다가 이온 등 연구

북미·유럽·中 전고체 및 리튬금속·황 전지 개발 등 진행

<4> 차세대 이차전지 소재기술

2. 차세대 전지용 소재 연구개발 동향

2.6 국내외 선도기관

리튬이온전지 및 차세대 전지 기술 분야의 국내외 선도 연구기관을 <표 1, 2, 3, 4>로 정리했다.

▲ <표 1> 리튬이온전지 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 2> 리튬이온전지 기술 - 해외 선도연구기관

▲ <표 3> 차세대 전지 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 4> 차세대 전지 기술 - 해외 선도연구기관

3. 산업 및 시장 동향

3.1 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

중소벤처기업부와 중소기업기술정보진흥원이 발간한 ‘중소기업 전략기술로드맵 2021-2023’에 따르면, 국내 전지 시장은 2017년 약 1조 8,214억 원에서 2024년 약 4조 6,570억 원 규모로 성장할 것으로 전망된다. 또한 산업통상자원부 관계부처에서 발간한 ‘2030 이차전지 산업(K-Battery) 발전 전략”에 따르면 세계시장에서도 IT용 이차전지는 2011년부터 1위를 유지하고 있으며 전기차용 중·대형 이차전지도 중국을 추격하고 있는 것으로 판단된다. 또한 국내외 생산능력이 5년 사이 4배 수준으로 확대되었으며, 수출도 동 기간 계속 증가하면서 점유율과 생산·수출, 기술력까지 확보하여 국내 이차전지 사업 전망을 긍정적으로 내다보고 있다.

▲ 국내 리튬이온전지 시장 전망(단위 : 억 원, %)

하지만 위 관계부처에서 발간한 자료와 한국경제연구원에서 발간한 자료에 따르면, 향후 한·중·일 전지 산업경쟁력을 종합 비교할 경우 한국이 가장 취약하다고 평가하였다. 세계시장 경쟁력이 과열되어 수익성이 약화된다는 의견과 원자재 수급의 안정성, 제도적 지원이 부족하다는 의견이 많았다. 특히 원자재와 소재·부품은 해외 의존도가 높고 시장점유율도 낮아 앞으로는 원자재 확보가 더 어려워질 것으로 예상되면서 공급망 다변화 및 국내 생산 기반 확충이 필요하다고 전망했다.

▲ 이차전지 원자재 세계 공급망(자료 : 한국과학기술연구원)

2) 기업 현황

국내 전기차용 이차전지 전문 시장조사업체인 SNE리서치에 따르면 2023년 국내 배터리 제조업체 3사(LG에너지솔루션, SK on, 삼성SDI)의 수주 잔액이 1,000조 원을 돌파할 것으로 전망했다. LG에너지솔루션(LGES)은 전 세계 이차전지 점유율 1등으로서 국내를 포함하여 미국, 유럽, 중국에 핵심 고객사를 두고 있으며 중국 내 테슬라 공장에 NCM811 원통형 배터리를 공급하였다.

LGES는 Advanced LIB에 맞춰 Ni 함량이 높은 NCM 양극 소재 양산과 원자재 확보를 위한 내재화율 35%를 계획하고 있다. 삼성SDI는 타 경쟁사에 비해 생산능력 확장 속도는 빠르지 않으나, 가동률 안정화와 북미 유럽 등 선진 시장에서 점유율 확대를 목표로 하고 있다. LGES와 에너지밀도 향상을 위해 Ni 함량이 높은 NCA를 적용하고 있으며 실리콘 복합체를 음극으로 확대 적용하려는 계획을 세우고 있다. SK on은 중·대형 배터리 생산능력을 확대하고 호주의 자원개발 기업과 계약하는 등 원자재 공급망을 강화하고 있다.

이차전지 4대 소재 시장은 2000년 초까지 일본 기업이 기술력을 바탕으로 시장을 주도하였으나, 일본의 수출규제 때문에 소재 국산화에 성공한 후 경쟁이 더 치열해졌다. 하지만 소재마다 국산화율이 상이하여 해외에서 원자재를 상당 부분 수입하고 있다. LGES와 삼성SDI는 양극 자체 생산 비중이 높으며, 포스코, 코스모신소재, 엘앤에프와 같은 국내 기업이 양극 생산 확대 및 제품 개발을 진행하고 있다.

음극재는 현재 포스코케미칼이 국내에서 유일하며, 대주전자재료는 실리콘 산화물 음극재를 세계 최초로 상용화하였다. 분리막은 SK이노베이션이 SK on과 삼성SDI에 공급하고 있으며, Advanced LIB용으로 세라믹 코팅 분리막을 생산하여 납품하고 있다. 전해질은 일본과 중국 업체의 비중이 크고 국내 기업의 점유율이 낮으며, 원가가 비싸 중국에 밀리고 있다.

3.2 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

중소벤처기업부와 중소기업기술정보진흥원이 발간한 ‘중소기업 전략기술로드맵 2021-2023’에 따르면, 전 세계 이차전지 유형별로는 납축전지가 가장 큰 부분을 차지하였으나 2024년부터는 순위가 역전되어 리튬이온전지가 이차전지 시장에서 주요 배터리 유형으로 성장할 것으로 보고 있다. 세계 이차전지 시장은 2020년 440억 달러 규모에서 2025년 940억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되며, 특히 전기차와 에너지저장장치용 중대형 전지의 시장 규모가 클 것으로 예상된다.

▲ 리튬이온전지의 세계 시장 성장(자료 : Markets and markets (2020) 자료 재구성)

이차전지 소재별 세계시장 수요 규모 및 전망을 보면, 2024년 기준 이차전지 수요는 2018년 대비 양극재가 5배 이상, 음극재는 7배 이상 성장할 것으로 보이며, 특히 실리콘 음극재는 2020년부터 2025년까지 4년 사이에 100배 이상 성장할 것으로 전망된다.

▲ 이차전지 소재별 세계시장 수요 규모 및 전망(단위 : k ton, %)(자료 : 2020 리튬이온 이차전지 기술동향 및 시장전망, SNE리서치 자료 재가공)

국가별 시장 규모 및 전망을 보면, 아시아태평양 국가가 시장점유율 1등을 차지하고 향후 5년간 이어질 것으로 보이며, 시장이 큰 중국과 인도가 중심에 있을 것으로 예상된다. 상대적으로 중동, 아프리카, 남미는 전기차 시장이 작고 성장도 작을 것으로 전망된다.

▲ 국가별 시장 규모 및 전망(단위 : 백만 달러, %)(자료 : Global Secondary Battery Market 2020-2024, Technavio 자료 재가공)

2024년까지 시장규모의 전망을 보면, 아시아태평양 지역이 1등, 미국과 유럽이 2등과 3등을 차지할 것으로 보인다. 하지만 미국과 유럽의 인플레이션 감축법안(IRA)과 지속가능한 배터리법(SBR)이 발의되면서 원자재와 전지의 공급망 및 공장이 북미와 유럽으로 이동하고 있어 큰 변화가 예상된다

2) 기업 현황

세계 이차전지 시장은 인플레이션 및 전쟁, 코로나19 이후 경기 침체 여파로 당초 예상보다 감소할 것으로 전망되며, 특히 전기차는 소비 둔화에 민감하여 전기차와 관련된 이차전지 시장이 크게 영향을 받을 것으로 보인다. 이에 따라 전기차 세계 1등인 테슬라의 중국 공장에 재고 차량이 쌓이고 있으며, 테슬라는 공장 중단이나 가격 인하로 재고 문제를 해결하고자 노력하고 있다. 하지만 경기 침체로 전기차 수요가 감소하고 있으나, 세계 완성차 업체는 국내 배터리 3사 및 핵심 소재 업체와 합작사를 만들어 공장 및 공급망 확보에 사활을 걸고 있다.

특히 중국의 시에이티엘(CATL)과 비야디(BYD)는 Advanced LIB에에 대비하여 니켈 함량이 90% 이상인 양극 소재와 탄소–실리콘 복합체를 통한 고에너지밀도 전지를 개발 중이다. 독일의 바스프(BASF)는 테슬라에 납품할 양극재 공장을 테슬라 베를린 공장 인근에 세우고 있으며, 해당 양극재의 재료인 니켈과 망간을 핀란드에서 공급받는다고 알려졌다. 또한 북미 최대 소재 회사 중 하나인 벌칸 에너지(Vulcan energy)와 광물 탐사 회사인 코볼드 메탈스(KoBold metals)는 원자재 추출 후 이차전지 소재 제조 회사에 납품하면서 배터리 공급망의 핵심 위치에 자리하였다.

▲ 주요 완성차업체와 이차전지 공급 업체의 협력 관계(자료 : 이차전지 산업 현황 및 전망, 하이투자증권(2022))

3.3 국내외 선도기업

리튬이온전지 및 차세대 전지 기술 분야의 국내외 선도기업을 <표 5, 6, 7, 8>로 정리했다.

▲ <표 5> 리튬이온전지 기술 - 국내 선도기업

▲ <표 6> 리튬이온전지 기술 - 해외 선도기업

▲ <표 7> 차세대 전지 기술 - 국내 선도기업

▲ <표 8> 차세대 전지 기술 - 해외 선도기업

4. 미래의 연구 방향 및 정책 제언

4.1 미래의 연구 방향

기존 리튬이온전지의 성능이 임계치에 다다르고 있는 현시점에서 후속 세대를 위한 차세대 이차전지를 개발하려면 혁신적인 기술개발이 필요하다. 상용화 전지의 성능을 능가하는 고에너지밀도 및 초경량화 전지 개발을 목표로 단기적으로는 고니켈 함량 소재를 적용한 전고체 전지 관련 기술을 고도화하는 것이 중요하다. 중장기적으로는 리튬-황 전지와 리튬금속전지를 상용화하여 핵심 소재를 경량화하고 에너지밀도가 더욱 증가된 고효율 전지를 실증하는 방향으로 연구를 진행해야 한다.

또한 이차전지의 응용 분야가 광범위하게 확대되었기 때문에 화재 및 폭발 위험성을 사전에 방지할 수 있는 고안정성 소재를 개발해야 할 것이다. 가혹한 외부 환경에 장시간 노출되어도 구조 안정성을 유지하는 소재를 적용함으로써 전지 시스템을 안정적으로 운용할 기술을 확보해야 한다.

이를 위해 대표적으로 기존 리튬이온전지에서 사용되는 가연성 소재를 고안정성 소재로 대체한 전고체 전지의 성능을 고도화하는 연구가 진행되고 있다. 장기적으로는 안전성, 수명 특성과 가격 경쟁력이 우수한 비리튬계 소재 기반 수계 이차전지와 레독스 흐름 전지의 상용화를 위한 연구가 주목받고 있다.

더불어 전지 시스템 중심으로 진행하던 연구에서 핵심 소재 중심 연구개발로 방향을 전환하여 소재 개발부터 전지 제조까지 연결되는 원천기술의 혁신을 이루어야 한다. 일부 특정 국가에서만 수급할 수 있는 특수 광물 소재 의존도가 높은 기존 이차전지 산업에서 자립화할 수 있는 대체 소재를 개발함으로써 공급망 위기를 극복하고 차세대 이차전지 시스템으로 확장할 필요가 있다. 핵심 소재의 내재화가 가능한 연구 분야는 대표적으로 소듐이온 전지, 다가이온 전지, 해수 기반 전지이며, 사용 후 폐이차전지에서 원료를 회수하고 재사용하는 기술개발 또한 주목받고 있다.

4.2 정책 제언

차세대 이차전지 분야의 기술 선도국 지위를 획득하려면 전문 연구인력을 꾸준히 양성해야 한다. 차세대 이차전지 기술개발 과제, 국제협력 프로그램 등을 통해 연구개발 인력을 확보하고 국외 우수 인재가 복귀하여 연구를 이어 가도록 국내 기반을 마련해야 한다. 석·박사급 전문 인력은 실제 연구개발 현장에 투입되어 연구개발 활동 경험을 축적해야 양성할 수 있으므로, 연구개발 과제를 통한 전문 인력 양성이 가장 효율적일 것으로 판단된다.

또한 핵심 소재 개발 기술이 상용화 기술로 전개되도록 기술이전, 산업체 공동 연구 등 상용화 연계형 기술개발을 지원해 기술 자립도를 강화해야 한다. 이렇게 인력을 양성해 기존 이차전지 산업 외에 향후 급격한 성장이 전망되는 항공우주, 중장비, 웨어러블 등 다양한 분야의 새로운 이차전지 산업에 전문 인력을 선행적으로 투입한다면 세계시장 점유율과 국가 기술 경쟁력을 확보할 것으로 예상한다.

또한 차세대 이차전지 산업의 중요도가 높아짐에 따라 연구개발 분야에 예산 투자가 활발해지고 있다. 하지만 연구 수행이 산발적으로 진행되어 기존 예산 투자 대비 시너지 효과가 낮다는 전문가 의견이 제시되면서 대책 마련이 시급한 상황이다. 기존 이차전지 성능의 한계를 극복하도록 차세대 기술을 상용화하려면 연구기관, 산업체, 대학 간 긴밀한 협력 체계를 구축하여 연구정보를 활발히 교류할 수 있어야 한다.

상대적으로 부족한 국내 연구인력과 인프라의 한계를 협력 연구로 돌파하도록 국내외 플랫폼을 마련하는 것이 중요하다. 내부 연구기관뿐만 아니라 기술 선진국의 연구기관과 협력 체계를 구축하여 핵심 기술과 시장 동향을 모니터링하고 교류함으로써 차세대 이차전지 시대를 개척해 나가야 한다.