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[이차전지] 이차전지 … 신소재 개발 및 원가 절감으로 도약의 발판 마련

  • 등록 2013.02.27 14:02:36
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모바일 IT 기기의 대표 전원…리튬이온전지

리튬이온전지는 최근 높은 에너지 밀도와 경쟁력 있는 가격 등을 기반으로 전기자동차와 같은 새로운 시장으로 확대를 모색하고 있다. 여기서는 현재 이차전지 시장이 처한 상황과 리튬이온전지가 앞으로 극복해 나가야 할 과제를 살펴보고, 리튬이온전지의 경쟁 기술이 어느 수준에 와 있는지 분석함으로써 향후 이차전지 산업이 나아갈 방향에 대해 알아본다.

김영준 센터장 전자부품연구원 차세대전지연구센터

리튬이온전지 에너지 밀도의 향상 가능성
최근 모바일 IT 기기의 경우 리튬이온전지(Lithium-ion battery, LIB)와 경쟁할 기술이 없어 LIB의 독주가 지속될 것으로 예상되지만, 전기차와 전력저장 분야에서는 시장에서 요구하는 충분한 수준의 성능을 발휘하지 못하고 있어, 아직 전개가 더딘 것이 현실이다.
리튬이온전지는 전기를 저장하는 매개체로 가장 가볍고 액티브한 금속인 리튬이온을 사용하고 있으므로 무게당, 부피당 에너지 밀도가 다른 이차전지 기술에 비해 우수하다는 점에서, 휴대편의성이 중요한 모바일 IT 기기의 이동전원으로 널리 사용되고 있다. 하지만 휴대폰이 다기능화, 대면적화되면서 소비 전력량이 많아짐에 따라 사용시간에 대한 소비자의 불만은 갈수록 커지고 있다. 이러한 휴대기기의 사용 시간을 좌우하는 것은 이차전지의 전기 저장능력(저장량)에 좌우된다.
리튬이온전지는 전기를 리튬이온 형태로 저장하므로, 가장 중요한 요소는 양극과 음극에 사용하는 물질이 무게당, 부피당 얼마나 많은 이온을 저장할 수 있는가 하는 것이다. 이것을 용량(Capacity)이라고 하며, 소재의 경우 mAh/g의 형태로 표현한다. 즉, 단위(1mA) 전류로 한 시간을 사용하는 양이라고 이해하면 된다.
현재 주로 사용되는 흑연 음극소재가 372mAh/g의 이론 용량을 가지며, 실제 사용하는 용량(충방전하면서 반복적으로 사용하는 용량은 가역용량, Reversible Capacity라고 한다)은 대략 360mAh/g이다. 반면 양극소재의 경우 층상계소재(145∼160mAh/g)가 대표적으로 사용되고 있으며 일부 고출력, 고안전 응용을 위해 스피넬계나 인산염계가 적용되고 있다.



그림 1은 현재 상용화된 소재와 개발 중인 소재의 용량과 반응 전압대에 대해 나타낸 것이다.
리튬이온전지의 용량이 증가한 이력을 살펴보면, 리튬이온전지의 에너지 밀도를 높이고(사용 시간을 연장하고) 소재를 바꾸는 일이 얼마나 어려운 일인지 알 수 있다. 그림 2는 리튬이온전지 중 크기가 표준화되어 에너지 밀도를 비교하기 좋은 원통형 18650(직경 18mm, 높이 65mm) 전지의 부피당, 무게당 에너지 밀도 변화를 나타낸 것이다.



그림 2에 나타난 바와 같이, 원통형 전지의 에너지 밀도가 크게 업그레이드된 시점은 전지의 충전 전압을 4.1V에서 4.2V로 상향 조정했을 때이다. 지금 사용되고 있는 대부분의 LIB 충전전압은 4.2V이며, 이는 1998년부터 본격 적용되기 시작했다.
처음 상용화된 LIB가 4.1V 충전이었던 이유는 당시 다수의 연구자들이 우려했던 전지 안전성을 자신있게 보장하기 어려웠기 때문이며, 그 후 충분한 검증을 거쳐 충전 상한전압이 4.2V로 상향되면서 소재 변화 없이도 약 30%에 가까운 용량을 향상할 수 있었다. 이후 지속적인 용량과 에너지 밀도가 업그레이드되었지만, 획기적이기보다는 점진적으로 향상되어 왔고, 지금은 어느 정도 포화상태에 다다른 느낌이다.
2007년 LG화학과 삼성SDI가 2800mAh급을 처음 상용화한 이후, 안전성을 우려한 전지 업체들의 보수적인 제품 개발로 인해 용량의 경쟁적 업그레이드는 답보 상태에 머무르고 있다. 2008년 삼성SDI가 일부 제품에 3000mAh의 원통형 전지를 상용화했지만, 지금까지도 대량 생산보다는 소량 납품에 그치고 있으며 안전성 우려로 인해 세트 업체에서 채용을 회피하고 있는 실정이다.



그림 3은 원통형 전지의 용량이 업그레이드되면서 어떤 소재와 전해액을 적용했는지 나타낸 것으로, 양극소재와 음극소재 적용은 큰 변화가 없었다는 것을 알 수 있다. 지금도 양극소재 사용량의 30∼40%를 차지하며 많이 사용되고 있는 리튬코발트산화물(LiCoO2)은 소니가 1991년 LIB를 처음 양산할 때 사용했던 소재(무려 20년 이상 사용하고 있다)이며 4.2V의 전압대에서 사용할 수 있는 가역용량은 145∼150mAh/g으로 한정되어 있다.
이와 같이 제한된 가역용량으로부터 에너지 밀도를 높이는 것은 극판 밀도를 향상시키는 방법이었다. 전자전도성을 부여하는 도전제와 전극골격을 유지하는 바인더의 함량을 최소화하면서 양극 극판의 합제 밀도를 높여 단위 부피당 양극 소재의 충진률을 높이는 것이다.
2005년 이후 양극소재는 Ni-Co-Mn의 삼원계 층상구조 소재가 적용되기 시작했는데, 산요가 충전전압을 4.38V로 높여 전지의 에너지 밀도를 경쟁사 대비 20% 이상 향상시키기 위한 목적으로 사용했다. 하지만 일본 NTT DoCoMo에 채용된 이 전지는 시장에서 부풀음(swelling) 현상이 자주 발생함에 따라, 결국 2006년 리콜하게 되었으며 전해액의 뚜렷한 해결책 없이 충전 상한 전압을 높이는 것은 무모한 일이라는 것을 다시 한 번 확인시켜 주는 계기가 되었다. 2006년 이후, 코발트 가격이 급등함에 따라 삼원계 층상구조 물질은 리튬코발트산화물을 대체하기 위한 물질로 적용되었으며, 특히 국내 전지 업체가 이를 주도적으로 추진했다(LCO와 NCM계 소재 사용량은 전체의 90% 수준).



양극소재의 세대별 기술 변화를 그림 4에 나타낸다. 1세대인 LCO 소재 이후, 앞서 언급한 바와 같이 고가의 코발트 소재 사용량을 줄이기 위해 NCM 층상계 사용이 확대되었으며, 스피넬계(LMO)와 인산염계(LFP)는 출력과 안전성을 장점으로 일부 애플리케이션에 사용되었다. 3세대 소재로 가장 주목받고 있는 것은 용량이 높아 에너지 밀도 향상이 기대되고 있는 Ni-rich계와 OLO 소재이다.
음극소재의 경우, 초기에는 MCMB(300mAh/g)와 같은 인조흑연을 많이 사용했지만 용량이 작고 가격이 높아 시장에서 점차 퇴출되었으며 2003년부터 용량이 높은(350∼360mAh/g) 고결정성 인조흑연이나 천연흑연을 많이 사용하게 되었다.
양극소재와 마찬가지로 소재의 용량은 2005년부터 이미 360mAh/g에 다다랐으며, 이후에는 뚜렷한 소재 발전 없이 전극의 밀도를 높이는 등 부수적인 방법을 통해 에너지 밀도를 높이는 방법을 적용했고, 이러한 이유로 최근 중국산 흑연제품이 점차 시장을 확대해 나가고 있다.

양음극 소재 분야의 향후 솔루션은?
앞으로 LIB에 어떤 소재가 사용되어야 하는지는 누구나 알고 있다. 그리고 지금도 전 세계의 전지 업체와 연구원들은 이 소재를 상용화하기 위해 매진하고 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 전지소재의 변화는 그리 간단한 일이 아니다. 가장 용량이 높은 양극소재로 주목받고 있는 과리튬 층상계 산화물(Over-lithiated Layered Oxide, OLO) 소재는 가역 용량이 250∼280mAh/g에 이르지만, 수명, 출력, 안전성 등 해결해야 할 문제가 남아있다.
음극소재의 경우, 누구나 실리콘계 소재의 적용을 꿈꾼다. 이론적인 용량은 4200mAh/g에 이르지만, 이 소재의 가능성이 알려진 이후 20년이 넘도록 소재 적용은 이루어지지 못하고 있다. 최근 흑연에 SiO 물질을 아주 소량 혼합한 음극 소재를 적용하여 전지를 제조(히타치)하기도 했지만, 큰 경쟁력이 없어 제품을 확대하지 못하고 있다.
몇몇 연구원에 의해 고용량 실리콘계 소재가 개발됨에 따라, 상용화할 경우 전지의 사용시간을 2배∼5배 늘릴 수 있다고 매스컴에 발표됐지만, 전지에 적용된 사례는 찾아보기 어렵다. 이는 연구와 제품 사이에 눈높이 차이가 있음을 반증하는 것이다.
소재가 전지에 적용되기 위해서는 극판공정성(슬러리 제조, 코팅 등)과 조립 특성, 안전성, 가격 등이 검증되어야 하지만 소재에 중점을 두고 개발하는 연구원의 경우에는 소재의 단편적인 특성만 가지고 판단하기 때문에 이러한 차이가 발생한다.
전지 업체에서는 연구원들이 발표하는 용량 1,000∼2,000 mAh/g 수준의 실리콘계 소재를 원하는 것이 아니라, 전지에 쓸 수 있는 500∼600mAh/g 수준의 소재를 원한다. 이러한 눈높이 차이를 이해하고 전지에 적용할 수 있는 소재를 개발하려는 마인드를 가져야 할 것이다.
최근 차세대 LIB용 양음극소재 개발에 미국, 일본 등 선진국에서 대대적인 투자를 함으로써 연구가 진행 중이다. 우리나라에서도 WPM 과제를 통해서 연 1,000억원 규모의 연구개발비가 투입되고 있다. 이러한 소재 개발이 성공할 경우 현재 대비 약 30∼50% 정도의 에너지 밀도가 향상될 것으로 기대되며, 2015년 경에는 프로토 타입 제품이 나올 것으로 전망되고 있다.

Post-LIB 이차전지 기술 현황
Post-LIB 이차전지 기술로 주목받고 있는 전지로는 전고체전지(All Solid-State Battery)와 리튬-황전지, 리튬-공기전지 등이 있다. 전고체전지는 리튬이온전지가 발전된 형태이며, LIB와 사용하는 양음극소재가 동일할 경우 Advanced LIB의 범주에 속하며, 소재가 바뀔 경우 Post-LIB에 포함될 수 있다.
전고체전지는 일본 토요타자동차에서 의욕적으로 개발하고 있다. 이 전지의 경우, 기존 LIB 전지에서 사용하는 가연성 카보네이트계 전해질을 불연성 세라믹 전해질로 바꿔 안전성을 높이려는 의도에서 개발되고 있다. 따라서 양음극소재의 개선이 아니라, 전지 안전성을 확보하기 위한 측면이기 때문에 에너지 밀도 향상을 기대하기는 어렵지만 전지를 구성하는 컨피규레이션을 바꿔 제한적이나마 에너지 밀도 향상도 도모하고 있다.
토요타는 작년에 고체전해질의 특성을 살려 바이폴라 타입의 14V급 전지 개발을 발표했으며, 이는 액체전해질을 사용하는 LIB가 Unit Cell 전압이 3.6V로 제한되는 데 비해 전극 어레이를 통해 에너지 밀도 향상을 추구한 것으로 볼 수 있다.
이에 반해 리튬-황전지와 리튬-공기전지는 아직 갈 길이 멀다고 할 수 있다. 둘 다 리튬금속을 음극으로 사용하고 있으며 양극으로 황과 공기를 적용하지만, 두 소재 모두 가역적인 전기화학반응과 반응의 키네틱스(Kinetics) 확보 측면에 있어서 전지에서 요구되는 성능에 크게 미달되기 때문이다. Post-LIB의 본격적인 출현은 기술 개발 여하에 따라 2020년 이후에나 가능할 것으로 예측되고 있다.

이차전지 산업 현황
모바일 기기용 파워 소스인 리튬이온전지는 에너지 밀도의 한계에 부딪힘에 따라 기술적인 차별화가 줄어들어 중국 업체의 추격이 만만치 않게 전개되고 있다. 가장 불리한 일본의 경우, 소니社의 전지사업부 매각 소식도 전해지고 있을 정도이며, 국내 업체도 이익률이 크게 감소하고 있는 것으로 발표되고 있다.
우리나라 전지 업체의 경우, 소형 LIB 분야에 있어서 중국과 일본에 한발 앞서 공장을 증설함에 따라 몇 년간 시장을 주도하며 호황을 누렸다. 그러나 최근 중국과 일본 업체의 설비 투자에 의해 공급이 과잉되어 리튬이온전지의 가격이 계속해서 떨어지고 있으며 글로벌 경제 위기와 맞물려 심한 치킨게임이 되고 있어, 국내 전지 업체 뿐만 아니라 부품소재 업체에게는 더더욱 어려운 시기가 도래하고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 당분간 혁신 소재를 적용한 기술적인 차별성을 확보하기는 어려운 상황이므로, 이러한 가격 경쟁은 더욱 더 심화될 것으로 예측된다.
아울러 전기자동차를 생산하기 위해 공격적인 선행 투자를 실시한 국내 전지 업체 3사는 예상보다 저조한 생산량으로 공장 가동률이 저하됨에 따라 적자가 발생하고 있으며, 향후 2∼3년이 중요한 터닝포인트가 될 것으로 예측된다. 이것은 비단 우리 나라만의 현실이 아니며, 이미 미국의 2개 벤처 업체(에너원, A123시스템)가 파산했고 일본의 조인트 벤처 업체(자동차와 전지 업체)인 AESC 등 3개 업체가 경영난에 허덕이고 있다.
이러한 과잉 투자가 선행된 이유는 글로벌 경제 위기를 예측 못한 자동차 업체의 공격적인 마케팅과, 전지 업체에 대한 강력한 선행투자 요구가 있었다는 것도 크게 작용한 것으로 분석된다.
이와 같은 위기를 극복하는 것은 당분간의 적자를 감수할 수 있는 능력에 달려 있으며, 삼성SDI와 LG화학은 소형 전지 부문에서 발생하는 흑자로 중대형 전지 분야의 적자를 감수하고 있어 경쟁사 대비 약간은 유리한 위치에 있다고 판단된다. 따라서, 현재의 글로벌 경제위기가 향후 몇 년간 지속될 것으로 보여 중대형 이차전지 산업의 재편은 불가피할 것으로 보인다.



전기자동차 시대는 도래하는가?
전기자동차의 경우에도 자동차의 제한된 공간과 무게에 얼마나 전기를 저장할 수 있는가에 따라 자동차의 일충전 주행거리가 결정된다. 현재 상용화된 전기차는 대부분 일충전 주행거리가 150km를 넘지 않아 자동차로서의 상품성에 크게 미달하고 있다. 혹자는 근거리 주행용으로 가능하다고 하지만, 150km밖에 달릴 수 없는 자동차는 소비자에게 매력을 어필하기 힘들다.
이러한 이유로 순수 전기차에서 리튬이온전지의 성능은 한계를 가질 수 밖에 없으며, 전기차 시대가 금방이라도 도래할 것처럼 떠들던 매스컴과 달리, 현실적으로는 아직 멀었다고 할 수 밖에 없다. 좀 더 냉철하게 판단한다면, 전기자동차 중 이미 소비자에게 널리 판매되고 있는 하이브리드전기차(HEV, hybrid electric vehicle)가 당분간 시장을 주도할 것으로 판단된다.
HEV는 가솔린 내연기관차에 비해 4∼6백만원 정도 비싼 수준이며, 연비에 의한 연료비 절감으로 초기 투자비를 회수(Pay-back)하는 기간도 5∼10년 정도로, 소비자가 경제적인 이유로 선택할 만한 범위이다. 아울러 전지가 회생제동으로 충전되기 때문에 별도의 외부 충전장치가 필요하지 않다는 것도 큰 장점이다.
이에 반해 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV, plug-in hybrid electric vehicle)와 순수전기차는 대용량의 이차전지를 탑재하며 외부 충전장치도 필요하므로 가격과 인프라 측면에서 소비자에게 큰 메리트가 없어 예상 대비 판매 실적이 저조한 실정이다.
순수전기차의 경우, 일반 소비자보다는 관공서와 지자체 등 보급 사업을 주도하는 기관에 의한 수요가 다수를 차지하고 있어, 앞으로도 저변 확대에 의한 판매량 증가를 기대하기는 어려운 실정이다.
그렇다면, 과연 전기차 시장을 견인하는 동력은 어디에 있을까? 현재 HEV를 확산시키기 위해서는 이차전지의 가격과 모터, 인버터 등 전장 부품의 가격이 낮아져야 한다. HEV에서 이차전지가 차지하는 가격 부분은 30∼40% 수준이므로, 이차전지가 가격에 대한 모든 책임을 지는 것은 불공평하다. 따라서 이차전지 외에 전장부품의 가격도 같이 하락되어야 HEV의 경쟁력이 배가될 수 있으며 시장 확산에 차질이 발생하지 않을 것으로 예측된다.
하지만 PHEV와 순수 EV의 경우 이차전지가 차지하는 가격 부분이 50∼70% 수준으로, 이차전지 가격 하락이 가장 중요한 요소가 될 수 있다.
특히 HEV 다음 세대인 PHEV의 경우에는 엔진과 모터가 동시에 탑재되므로 가격 경쟁력 확보가 쉽지 않으며, 현재 미국의 경우 7,000∼10,000달러의 보조금이 지급되고 있는데도 판매가 저조한 것은 경제성이 없다는 것을 반증하는 것이다. 이로 인해 GM이 의욕적으로 개발한 Chevy Volt의 판매량은 당초 연간 5만∼10만대를 목표로 했으나 2만∼3만대 수준에 머무르고 있다. 그러므로 향후 이차전지의 가격을 획기적으로 낮춰야 할 필요가 있으며, 미국 DOE는 현재 이차전지 가격의 반 이하인 300달러/kWh 수준을 1차 목표로 하고 있다. 이는 앞서 에너지 밀도의 중요성에서도 논의했던 것처럼, 에너지 밀도를 2배 올리고 소재의 가격을 동등한 수준으로 유지할 경우 달성 가능한 목표치이다.
따라서, 전지 업체 및 관련 분야 연구자들은 에너지 밀도뿐만 아니라 가격도 그만큼 낮춰야 향후 전기차 시장이 전개될 수 있을 것이다.
순수 전기차의 경우 조금 다른 측면에서 분석할 필요가 있다. 순수 전기차는 이차전지를 탑재해 모터로만 기동하며, 이차전지의 탑재 에너지량에 따라 주행거리가 결정된다. 앞에서 언급한 것처럼 현재의 LIB 기술로는 150km 주행거리 정도만 확보할 수 있으므로, 순수 전기차로 사용하기에는 상품성이 부족하다. LIB의 기술을 발전시킨다고 해도 주행거리는 250km를 넘기 어려워 LIB를 이용한 순수 전기차가 대중화되는 데에는 크게 부족할 것으로 전망된다.
이것을 해결하기 위해 급속충전이 제안되기도 했지만, 급속충전을 하게 되면 LIB 안전성에 문제가 생길 수 있고, 전력망에도 큰 부담이 생겨 쉽게 해결될 문제는 아니다. 따라서 순수 전기차를 위한 LIB 기술은 적절하지 못하며, 앞으로도 제한적인 보급 수준에 머물 것으로 보인다.
그리고 Post-LIB 기술의 완성도에 따라 순수 전기차 시대가 도래할 것으로 보이지만, 빨라야 2020년 이후에나 가능할 것으로 전망된다. 오히려 가격 문제와 인프라를 해결할 경우, 연료전지를 이용한 순수전기차가 우리 곁에 더 빨리 찾아올 수도 있다.
리튬이온전지 산업은 2000년대 들어 소재의 혁신 없이 지금까지 이어져 오고 있으며 가격 경쟁도 심화되고 있다. 리튬이온전지를 한 단계 발전시키기 위해서는 에너지 밀도가 높은 소재 개발이 뒷받침되어야 하며, 2015년 이후에는 새로운 소재를 적용한 리튬이온전지가 나올 것으로 전망된다. 리튬이온전지를 대체할 Post-LIB 기술은 2020년 이후에나 그 가능성을 이야기할 수 있으므로 당분간은 리튬이온전지 시대가 될 것으로 예상된다.
전기차 보급을 확대하기 위해서는 소비자가 구매 의사를 보일 수 있는 수준으로 가격을 낮춰야 하며, 리튬이온전지의 가격이 300달러/kWh 수준으로 되면 HEV와 PHEV는 판매가 확대될 것으로 보인다. 하지만, 순수전기차를 이차전지로 구동하여 대중화하기 위해서는 주행거리가 500km 이상 확보되도록 LIB의 에너지 밀도 대비 3배 수준의 새로운 이차전지가 개발되어야 할 것이다.









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