▲ 2차전지 에너지밀도 비교. 2차전지 에너지밀도 비교

2차전지는 소형 가전제품에만 사용 가능할 것이라는 생각이 바뀌고 있다.

한때는 ‘전기는 흘러가는 것일 뿐, 저장할 수 없다’는 말이 있을 만큼 전기를 저장하는 것 자체에 대해서 회의적인 시각이 우세하기도 했지만, 지금의 상황은 다르다.

최근 LG경제연구원이 발표한 자료에 따르면 전기자동차에 적용된 2차전지는 저장된 전기만으로 100Km 이상 주행이 가능할 정도로 저장 용량이 확대되었고 그 활용도가 높아지고 있다.

2차전지 중에서 높은 에너지 밀도를 무기로 최적의 솔루션이라 평가받고 있는 리튬이온전지가 과연 그린에너지 사회로 가는 길을 잇는 다리 역할을 할 수 있을까?

최근 2차전지 산업의 영역이 IT 기기 시장을 넘어 그 범위가 빠르게 확대되고 있다. 이미 리튬이온전지로 표준이 정해진 IT 기기와 달리, 이제 겨우 출발선을 벗어난 전기자동차산업에서는 니켈수소전지가 안전성과 가격적 장점을 앞세워 주도하는 가운데 리튬이온전지가 높은 에너지 밀도를 무기로 거센 도전을 하고 있다.

또, 연료전지와 수소전지는 장기적 관점의 자동차 동력원으로 개발이 활발하다. 아직 걸음마도 하지 않은 에너지 저장분야는 그린에너지의 본격적 확산에 힘입어 빠르게 성장할 것으로 보이지만, 광대한 에너지 저장 용량의 범위를 대응할 수 있는 우세한 에너지 저장 솔루션은 현재 없는 상태다.

▲ 에너지 저장 솔루션의 비교. 에너지 저장 솔루션의 비교

이동성에서 경제성과 환경까지 고려… 2차전지의 변화

1948년에 발명된 니켈카드뮴전지는 소형 전자제품에 이동성을 부여한다는 점에서 최초의 2차전지로 평가받고 있다. 19세기 중반에 발명된 납축전지가 그 유래나 기술의 완성도에서 앞서 있었지만 큰 부피와 짧은 수명은 수요 시장에 차별적 응용 영역을 제시할 수가 없었다.

그 후 40여 년간 니켈카드뮴전지는 2차전지 시장의 주력 솔루션으로 수요시장의 새로운 영역을 창조하는 데 주도적 역할을 했다. 휴대용 면도기, 무선 전화기, 무선장난감, 전동 공구, 그리고 휴대용 음악재생기기 등에서 니켈카드뮴전지는 유선 기기 대비 성능의 차이를 최소화하면서 이동성을 부여하는 데 성공했다.

GM에서 2010년 출시 예정인 'Volt'에 사용되는 리튬이온전지의 경우, 180kg의 무게(납축전지 사용시 850kg, 니켈 수소 전지 사용시 470kg 수준)와 차량 가격의 20% 이상을 차지하는 비싼 가격, 그리고 수시로 충전을 해야 하는 불편함이 있긴 하지만, 100km 미만의 단거리 출퇴근용으로만 사용시 하루에 1,000원 미만의 비용만 부담하면 되는 우수한 경제성을 자랑한다고 한다. 향후 유가와 각국의 지속적인 지원정책이 관건이긴 하지만, 리튬이온전지를 사용하는 전기자동차의 도전은 지속될 전망이다.

전기에너지 분야에서도 2차전지의 필요성이 부각되면서 다양한 유형의 시도가 이루어지고 있다. 기존 전력산업에서의 에너지 저장장치는 정전 시 외에는 그 필요성을 느끼지 못했고, 화력, 수력, 원자력 발전소 등에서 생산되는 전력이 품질이 좋고 공급의 안정성도 뛰어나 굳이 2차전지를 사용할 필요가 없었다.

하지만, 최근에 상황이 달라지고 있다. 기존의 짧은 순간의 정전을 대비하는 전력 공급용으로 한 달에 한두 번 사용하던 것이, 이제는 상시적으로 사용해야 할 정도이다.

게다가 안정적 전원을 공급하는 필터링 기능까지 필요로 하고 있다. 현재는 값싸고 안정적인 납축전지가 대세지만, 한정된 공간의 활용성에 대한 요구가 증가하면서 새로운 2차전지에 대한 필요성도 대두되고 있다. 지능형 전력망의 주요 구성요소인 에너지 저장 장치도 납축전지 이외의 솔루션으로 리튬이온전지를 적극 검토하고 있다.

여러 가지 관점을 비교했을 때 리튬이온전지가 2차전지의 주도적 솔루션이 될 가능성이 높다.

첫째, 리튬이온전지는 납축전지나 니켈카드뮴전지에 비해 소비자의 욕구를 충족하기에 유리하다. 즉, 가벼우면서 긴 수명 특성을 가지고 있어 소비자가 기기를 편리하고 즐겁게 오래 쓰고 싶다는 욕구를 충족시켜 준다. 또, 납축전지나 니켈카드뮴전지에 비해 친환경적이라는 것도 장점이다.

둘째, 리튬이온전지는 다른 2차전지에 비해 넓은 수요시장을 갖게 될 가능성이 높다. LCD의 경우 다수의 참여 기업들로 구성된 안정적인 인프라로 인해 기술 발전 속도가 빠르고 지속적 가격 하락이 가능했다. 이것은 수요 시장을 확장하는 역할을 했다. 리튬이온전지는 이미 표준으로 자리 잡은 모바일 IT 기기에 이어, 전기자동차에서도 향후 주력이 될 가능성이 높다. 자동차에 적용되는 다른 2차전지 솔루션과 비교하여 리튬이온전지에는 투자와 개발인력이 집중되고 있고, 이를 통해 리튬이온전지에 대한 안전성, 고비용, 원료 공급의 한계에 대한 돌파 방안도 제시될 것으로 보인다.

셋째, 리튬이온전지에 대규모 투자가 이루어지고 있다. 리튬이온전지에 대한 투자에 기존 2차전지 관련 기업은 물론 국가 기관까지 나서고 있다. 2차전지의 새로운 본산이 되고자 하는 미국 미시간주의 공격적 투자 유치 전략뿐 아니라, 각국은 글로벌 금융위기의 돌파구로서 새롭고 구체적인 성장 동력인 리튬이온전지를 주요 후보로 삼고 있다고 한다. 반도체, LCD의 사례에서 볼 수 있듯이 막대한 수요층은 성능과 원가에 대한 혁신을 만들어 내고, 지속적인 투자로 연결되는 순환 고리를 리튬이온전지에서도 볼 가능성이 점차 높아지고 있다.

마지막으로, 리튬이온전지는 IT 기기에 노출되어 있는 수요자들에게 매우 친숙한 부품이다. 휴대폰에서 노트북, 모니터에 익숙한 LCD 수요자들이 TV로 수요시장이 확장되는 것에 대해 거부감이 없었던 만큼, 리튬이온전지는 다양한 모바일 IT기기에 사용되는 익숙한 부품이다. 전기자동차에 리튬이온전지가 채택되고 확대되는 데에도 별다른 거부 반응 없이 받아들여지고 있다. 리튬이온전지가 미래에 매우 중요한 부품이라는 사실을 수요자에게 계속 주지시키고, 그에 맞는 마케팅을 구사한다면 자동차는 물론 대용량 에너지저장 분야에서도 리튬이온전지에 대한 수요자들의 기대는 어렵지 않게 형성될 것이다.

▲ 리튬이온전지 구조. 리튬이온전지 구조

아직은 보완해야 할 문제점 많아…

그러나 리튬이온전지가 2차전지 산업의 주력 솔루션을 넘어 그린에너지 사회의 핵심 부품이 되기 위해서는 아직도 넘어야 할 문제점이 많은 것이 사실이다.

첫째, 산업 경쟁력 향상 차원에서 핵심 원재료의 안정적 확보가 가능해야 한다. 리튬이온전지의 핵심 원재료는 리튬이다. 비록 리튬이 경쟁 2차전지의 주된 원재료인 납이나 니켈보다 자연계에 더 풍부하게 존재하지만, 실리콘에 비하면 상대적으로 한정된 자원이다. 게다가 남미에 리튬원재료 광산이 집중되어 있어 중장기적 관점에서 수급 불안요소도 존재한다.

둘째, 모바일 IT 기기의 부품이라는 한계를 넘어서야 한다. 과거 모바일 IT기기 초반에 발생하였던 리튬이온전지의 불안정한 품질 문제를 극복하고, 대량 생산을 통한 규모의 경제를 통해 가격 하락과 공급망 확장, 그리고 안전성에 대한 지속적 혁신을 이루었듯이, 막대한 잠재력을 지닌 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 부품으로 확실히 자리매김이 되어야 한다.

위와 같은 문제점에도 불구하고 2차전지는 그린에너지 시대로 도약하는 핵심적인 발판이 될 것이라는 의견이 많다. 리튬이온전지가 2차전지의 주력 솔루션으로 자리 잡고, 주도권을 확보하기까지의 과정은 그리 쉽지만은 않겠지만, 리튬이온전지의 유력한 경쟁자는 아직 부각되지 않고 있다.

2차전지 부문에서 현재의 기술을 뛰어넘는 획기적인 대안이 당장 나오기도 쉽지 않고, 설사 나오더라도 상용 가능한 현실적인 수단이 되기에는 상당한 시간이 요구될 것이다. 그린에너지 시대로의 전환 과정에 리튬이온전지가 발판이 될 수 있을지, 또 리튬이온전지와 연계된 산업은 어떻게 변할지에 대해 많은 관심이 쏠리고 있다.