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1 중소 중견기업기술로드맵 Technology Roadmap for SME - 에너지저장 -

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3 CONTENTS 전략분야 에너지저장 1. 개요 3 2. 국내외정책동향 8 3. 산업이슈및동향 시장동향및전망 기술동향및이슈 중소기업시장대응전략 중소기업전략제품 27 전략제품 하이브리드금속공기전지 1. 개요 산업환경분석 시장환경분석 기술환경분석 중소기업환경 기술로드맵기획 70 고용량커패시터 1. 개요 산업환경분석 시장환경분석 기술환경분석 중소기업환경 기술로드맵기획 124

4 레독스플로우배터리 1. 개요 산업환경분석 시장환경분석 기술환경분석 중소기업환경 기술로드맵기획 164 이차전지분리막 1. 개요 산업환경분석 시장환경분석 기술환경분석 중소기업환경 기술로드맵기획 205 이차전지양극재 1. 개요 산업환경분석 시장환경분석 기술환경분석 중소기업환경 기술로드맵기획 242 이차전지전해질 1. 개요 산업환경분석 시장환경분석 기술환경분석 중소기업환경 기술로드맵기획 277

5 에너지저장 전략분야현황분석

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7 전략분야현황분석 에너지저장 1. 개요 가. 정의 에너지저장분야는생산된전력을저장했다가전력이가장필요한시기에공급하여에너지효 율을높이는시스템으로, 전기를모아두는배터리와배터리를효율적으로관리해주는관련장 치로구성됨 [ 에너지저장기술 ] 에너지저장은기존전력시스템은피크타임전력수요에맞춰전력용량을증설해야하는구조로, 전력수요와공급간불일치가발생되는문제가있는데, 에너지저장시스템을활용하여수요와공급의불일치를해소하여전력활용의효율성을증대하고있으며, 신재생에너지, 에너지신사업, 비상전원등의활용처가다양하며특히스마트그리스구현을위한핵심기술임 3

8 에너지저장 [ 에너지저장기술분야별정의 ] 구분 PCS 전력관리시스템 (PMS) 이차전지 ( 배터리 ) 정의 Power conditioning System 교류 (AC) 와직류 (DC) 를변환시키는역할을하며전력계통에서요구하는전원의품질수준과배터리가요구하는충방전전류를조절하는기능을수행하는시스템 Power Management System PCS, 배터리, BMS 등의상태를모니터링하고전기요금, 주파수, 외부의입력등에따라충방전명령을내리는장치 화학적에너지형태로저장했다가사용하는방식으로, 가장범용으로사용하고있는리튬이온배터리가있음 비배터리 물리적, 전자기적저장에너지형태로저장했다가사용하는방식으로, 전자기, 운동, 열역학, 위치에너지를저장하는기술 배터리관리시스템 Battery Management System(BMS) 배터리제어의최적화를통하여주행거리향상및안전성을확보해주는기술 변압기, 차단기, 케이블및계전기류 에너지저장후사용시안전성확보, 전기이동등에사용되는주변기기 에너지저장의정의는구체적으로다음과같음 PCS(Power conditioning System) 는배터리로부터저장된직류전력을교류로변환해전력계통에전력을공급하거나직접교류부하에전력을공급하는기능, 전력계통으로부터교류전력을직류로변환해전력을배터리에저장하는기능이모두가능한장치임 전기자동차나전력저장장치의핵심부품으로고밀도집적배터리의안전성및신뢰도높은운용을확보하기위하여사용함. PCS에는배터리상황을모니터링하고평가하는기능이나충전및방전관리기능, 밸런싱기능, 이상상황발생을판단하여보호하는기능등을포함함 전력관리시스템은전력미터로부터전력생산장치의발전전력을수집하고, 수집된데이터를기초로전력지령값을결정함. 전력관리시스템은전력기준값과실시간으로계측되는전력생산장치의발전전력을비교하여충 방전여부를결정하고, 전력기준값은전력계통안정화를위한것으로서, 전력계통으로출력하고자하는전력을나타내는역할을하는기술을포함함 이차전지 ( 배터리 ) 는전기에너지를화학에너지의형태로변환하여저장후필요할때이를다시전기에너지의형태로바꾸어사용가능한전지를의미하며, 전극소재및전지 / 커패시터, 모듈 / 팩등의기술을포함함 비Battery는물리적, 전자기적저장에너지형태로저장했다가사용하는방식으로, 전자기, 운동, 열역학, 위치에너지를저장함. 울트라캐퍼시터, 플라이휠양수발전, 압축공기저장등이포함됨 4

9 전략분야현황분석 BMS는배터리제어의최적화를통하여주행거리향상및안전성을확보해주는기술로, 열에약한배터리를균등냉각하여동일한성능구현을위해열관리제어와배터리의각상태를판단하여최적효율점에서작동토록하기위한배터리충전상태 (SOC) 제어로구분하며, 배터리상황을모니터링하고평가하는기능이나충전및방전관리기능, 밸런싱기능등의기술을포함 변압기, 차단기, 케이블및계전기류은에너지저장후사용시안전성확보, 전기이동등에사용되는주변기기로 PCS, 전력관리시스템 (PMS), 배터리, 비배터리및배터리관리시스템 (BMS) 을연결하고제어하는데활용되는기술을포함함 나. 범위및분류 (1) 범위 에너지저장은 PCS, 전력관리시스템 (PMS), 이차전지 ( 배터리 ), 비배터리, 배터리관리시스템 (BMS), 변압기, 차단기, 케이블및계전기류산업분야관련기술 6개로이루어져있음 PCS는교류 (AC) 와직류 (DC) 를변환시키는역할을하며전력계통에서요구하는전원의품질수준과배터리가요구하는충방전전류를조절하는기능을수행하는시스템 전력관리시스템 (PMS) 은 PCS, 배터리, BMS 등의상태를모니터링하고전기요금, 주파수, 외부의입력등에따라충방전명령을내리는장치 이차전지 ( 배터리 ) 는화학적에너지형태로저장했다가사용하는방식으로, 가장범용으로사용하고있는리튬이온배터리가있음 비배터리는물리적, 전자기적저장에너지형태로저장했다가사용하는방식으로, 전자기, 운동, 열역학, 위치에너지를저장하는기술분야 전기자동차는전기차충전이용이하도록유료충전서비스를제공하는기술분야 배터리관리시스템 (BMS) 은배터리제어의최적화를통하여주행거리향상및안전성을확보해주는기술분야 변압기, 차단기, 케이블및계전기류은에너지저장후사용시안전성확보, 전기이동등에사용되는주변기기분야임 5

10 에너지저장 [ 에너지저장기술범위 ] 구분 PCS 범위 배터리관리시스템의기능을지원하는소프트웨어에는전압, 전류, 온도등을계측하는계측알고리즘 (Measuring algorithm for voltage, current and temperature), 충전량계산 (SOC : State of Charge calculation), 수명예측 (SOH : State of Health estimation), 셀밸런싱알고리즘 (Cell balancing algorithm), 온도관리 (Thermal Management), 진단알고리즘 (Diagnostic algorithm), 방호알고리즘 (Protection algorithm) 과차량또는전력망내통신 (Communication with vehicle or Grid system) 등, 배터리관리시스템의하드웨어적인구성에는 VITM(Voltage, Current, Temperature Measure) 모듈, 셀밸런싱 (Cell Balancing) 모듈, 보호 (Circuit Breaker, Fuse, Relay, Contactor, FET 등 ) 모듈, 충전및방전, SOC 예측, SOH 예측, SOF 예측을위한알고리즘개발 / 공급업체와, 인증및과금체계기능, 충방전테이터분석등을위한어플리케이션개발 / 공급업체, 배터리의전압, 전류및온도측정모듈과같은하드웨어공급업체등으로구분 전력관리시스템 (PMS) 전력변환장치또는배터리관리장치로부터각종정보를제공받아전기저장장치의실시간모니터링이가능하며, 전력계통주파수변동또는상위시스템으로부터의요구사항을반영하여충 방전전력량을제어하여전체전력을관리하는시스템을포함 이차전지 ( 배터리 ) 이차전지용전극소재 ( 양극, 음극 ), 전해질, 분리막, 파우치, 케이스, 전지 / 커패시터, 모듈 / 팩 /BMS, 성능평가장비, 충전장치, 안전성시험기, 자동화설비등을포함 비배터리 양수발전, 압축공기저장장치, 플라이휠, 슈퍼캐패시터, 초전도에너지저장기술등을포함 배터리관리시스템 VITM(Voltage, Current, Temperature Measure) 모듈, Cell Balancing 모듈, Protection (Circuit Breaker, Fuse, Relay, Contactor, FET 등 ) 모듈, Micro Processor; Measuring algorithm for voltage, current and temperature, 충전량계산 (SOC : Stage of Charge calculation), 수명예측 (SOH : Stage of Health estimation), 충전 / 방전출력예측 (Charge/Discharge Power estimation), Cell Balancing algorithm, Thermal Management, Diagnostic / Protection (Functional Safety) algorithm Communication with Vehicle (or Grid system) 등을포함 변압기, 차단기, 케이블및계전기류 변압기, 차단기, 케이블및계전기류관련기술을포함함 6

11 전략분야현황분석 (2) 분류 에너지저장분야의기술분류는산업기술분류표 1) 상에서전기 전자에포함되며, 전지및중전기기분야에서이차전지, 전지재료, 제조및측정평가장비, 개폐기류, 발전기 / 전동기및제어, 변압기류, 송배전및보호 / 감시장치, 전력변환기기관련분류가포함 [ 에너지저장분야산업기술분류 ] 구분 산업기술 _ 대분류 산업기술 _ 중분류 산업기술 _ 소분류 전지 기타전지응용및활용기술 (HEV 등 ) 이차전지전지재료제조및측정평가장비초고용량커패시터일차전지 에너지저장 전기ㆍ전자 중전기기 개폐기류기타중전기기발전기 / 전동기및제어변압기류송배전및보호 / 감시장치에너지저장기기자동화제어기기 전기로전기용접및가열전력변환기기전력용재료전선전원장치초전도기술 / 제품 1) 산업기술혁신사업공통운영요령 ( 시행 ) 제 16 조 ( 산업기술분류체계 ) 1 장관은사업의기획 평가 관리에관한업무를효율적으로추진하기위해산업기술분류체계를수립하여활용할수있다. 2 산업기술분류체계는 별표 1 에따른다. 규정에의하여산업통상자원부등에서기획, 평가, 관리에활용하는체계임 7

12 에너지저장 2. 국내외정책동향 정부는소재분야미래세계시장선점을위한지원확대 정부는중대형 ESS 기술개발및산업화정책추진 (K-ESS 2020 전략 ) 으로에너지저장 R&D 투자를확대하여원천기술확보및글로벌시장선도가가능한기술에집중투자 2020년까지 6.4조원규모의기술개발및설비투자추진할계획예정이며, ESS 보급목표용량은 2020년까지 1,700MW( 전세계시장점유 30%) 를목표로함 [ 에너지저장분야주요정부개발사업 ] 구분신재생에너지핵심기술개발자원개발기술개발 사업개요 신재생에너지기술경쟁력확보및신성장동력산업으로육성 자원의개발성공률제고자원개발분야의성과극대화 신재생하이브리드이용 미래에너지저장기술개발 폐기물열, 태양광으로수소생산 저장하고, 연료전지기반전기를생산하는통합시스템기술개발 지원대상 기존시장불확실, 원천기술형 석유, 가스, 광물자원개발탐사, 생산기술개발분야 과제종류별지원대상상이 사업기간 3~5 년이내 3~5 년이내 7 년 1 단계 3~5 년 2 단계 5~7 년 추진주체 기업, 대학, 연구기관, 연구조합, 사업자단체 기업, 대학, 연구기관, 연구조합, 사업자단체 과제종류별주체상이 지원금액총 1863 억 ( 계속 1302 억 ) 총 242 억 ( 계속 242 억 ) 총 370 억원 출처 : 에너지기술평가원사업별지원계획자료 (2016 년 ), 미래부에너지기술개발산업공고 (2016) 산업부는투자촉진을위해에너지저장장치 (ESS) 비상전원인정가이드라인발표 (2.24), 에너지저장장치 (ESS) 활용촉진요금제도입 (3.24), 에너지저장장치 (ESS) 저장전력의전력시장거래허용 (4.7) 의제도개선을완료 2020년까지 6.4조원규모의기술개발및설비투자추진및 EES 설치의무화방안을검토 전력공기업도 12대의에너지저장장치 (ESS) 를비상전원으로설치 (6MWh, 3MW, 4 6월 ) 할계획이고, 기존에설치했던주파수조정 (FR) 용에너지저장장치 (ESS) 46MWh(184MW) 가시운전을거쳐 7월부터상업운전에들어가게되며, 올해 140MW( 배터리용량기준 35MWh, 상업운전 17년) 규모의주파수조정 (FR) 용에너지저장장치 (ESS) 가발주예정 8

13 전략분야현황분석 삼성 SDI는미국 AES사에 20MW급 EES를공급계약 (10.9) 했고, LG화학은미국 SCE사에 10kWh급가정용 EES 공급계약발표 (10.10) 했다. 일부대기업에서 NaS, RFB 등을기술개발중이나초기단계이고, 실증이활발한선진국에비해핵심소재및원천기술등기술수준미흡한실정 전세계적으로에너지저장장치실증사업확대 전세계적실증사업규모는 09년 240MW(20건 ) 에서 10년 869MW(44건 ) 으로증가 미국은공공기관 (APRA-E, EPRI 등 ), 대형전력회사 (AES, AEP) 를중심으로기술개발및실증을적극추진중이고, 스마트그리드사업의일환으로 PG&E(300MW) 및 NYSEG(150MW) CAES 구축사업에정부보조금을지원 ES&P사에서개발중인 2세대방식 CAES 기술을적용, DrEESer-Rand사는 Smart CAES 라는브랜드로 CAES 상부설비부분의 Total solution을제공하기위해 1세대방식의개량형인고효율압축및터빈시스템을개발 유럽에서는프랑스 Saft사, 독일 Conergy사등이참여하여태양광분산발전 EES 실증과제를추진 (Solion Project) 하고, 독일 Huntorf 290MW CAES발전소 (1978) 와미국 Alabama 110MW(1991)(348MW 확장운용중 ) 이상업용플랜트로운전 독일은 EnBw(600MW) 및 ADELE (200MW)CAES 프로젝트를추진중에있다. 특히, ADELE 프로젝트는연방정부와 RWE 및 GE 등의기업이주축인컨소시엄과의계약완료 일본은 1998년부터기존탄광을활용한 2MW급 CAES Pilot 플랜트를구축하여실증실험을완성 중국은미국 ES&P사에 EPC 역할을부여하고, 자국내 CAES 건설을추진 에너지저장장치관련표준화 국내는분산형전원과전기저장장치에대한표준 6종이개발완료되었고, 2종이개발중 ESS용이차전지기술기준에대해서는전지협회주관으로작성하여표준협회에단체표준의절차를거치는형태이며, 2013년 2월리튬이차전지관련단체표준이아래와같이제정되어인증시사용 에너지저장시스템용전력변환장치의성능요구사항 전기저장장치-제1부 : 단상저압연계용전기저장장치일반요구사항및시험방법 전기저장장치-제2부 : 삼상저압연계용전기저장장치일반요구사항및시험방법 분산형전원의운용기술표준-제2부배전계통연계분산형전원의통합정보관리운영지침 배터리에너지저장장치용리튬이차전지-단전지및전지시스템-제1부 : 안전성시험 배터리에너지저장장치용리튬이차전지-단전지및전지시스템-제2부 : 성능시험 9

14 에너지저장 IEA, WEC 등국제에너지기구와 ISO, IEC 등국제표준화기구와의국제협력을통한에너지정책과표준연계를강화해나가는중 국외 ESS 관련표준제정은 2012년에설립된 IECTC120에서하고있으며, 한국은 WG(Working Group)4번째환경분야의의장직을수임하여 ESS 설치시환경조건, 유해물질사용제한등의규제와시험, 설치, 안전등을검토 미국은 NIST( 국가표준연구원 ) 를중심으로 IEEE의표준화를진행중 국제표준 (IEC) 규격에부합화해상호인증체계를확립배터리등전기제품 19개품목이상호인증대상품목으로운영중이며, 태양광분야는지난 2004년17번째품목으로추가됨 NYISO : 전력저장장치를주파수조정서비스시장에참여시키기위한요금제도개정을 2009년 3월11일에상정하고, 전력저장장치를기존발전기와동일하게발전계획, 발전운영, 정산에적용하는방법을도입하여 2009년 3월 15일에 FERC의승인 CAL-ISO: 에너지저장장치의성능부합기준은하기와같음 정격 : 2~10MW 최소에너지용량 : 정격의 25% 이상 ex) 10MW설비의경우 2.5MWh 이상충전가능 계통운영자로부터주파수조정신호를수신할수있는기능을구비 ex) 충전정격이 2MW면방전정격도 2MW- 기기의방전 / 충전단위가 2개이상 ex) 2MW 설비의경우 1 MW씩두단위의출력수준이가능해야함 역률 ±0.95 운전영역을가지며, 무효전력을공급 / 소비 증감발율은 4초안에정격만큼변경이가능해야함 ex) 10MW 설비의경우 10MW로충전되다가 4초안에 10MW로방전될수있어야함 10

15 전략분야현황분석 3. 산업이슈및동향 가. 산업이슈 전기자동차업계의 ESS 시장참여 7~15년운행한전기차의배터리는초기용량의 70~80% 수준에서재사용이가능하며 ESS로용도전환할경우추가적으로 10년이상사용가능 전기차의배터리로는 7년 ~15년정도사용하였을경우주행거리가감소하고, 충전시간의증가및방전속도저하등의영향을초래할수있지만 ESS의용도로는큰문제없이사용가능 독일의재생에너지협회는전기차가본격적인성장궤도에진입함에따라 2030년재활용가능한배터리용량이누적기준 1TWh까지증가할것으로전망 배터리상태, 가공설비규모, 신규배터리가격등전제조건별편차는존재하지만재생배터리는판매량이많은전기차모델이배터리재상사업에유리할전망임 Nissan과 BMW는각각전기차 Leaf와 i3 중고배터리를활용한가정용 / 상업용 ESS 제품을출시할예정이며, Tesla의선도제품과경함예상 국내에서는최근정부 / 지자체중심으로관련인프라구축계획을발표하였으나전기차시장의더딘성장과대표모델부재로기반형성에상당기간이소요예정 재생배터리의경우배터리물량및배터리사용한내력 ( 운행정보 ) 등을전기차회사가대부분소유하게됨으로써수익을위하여서는전기차업체와긴밀한협업관계구축이필요함 ESS는배터리에따라수익성편차가발생되며, 최적설계및운영뿐만아니라핵심설비의다양화에서편차가커질것임 배터리재생은배터리팩을그대로재사용하거나팩을분해하여 Cell 또는일정크기의모듈로재사용하게됨 배터리팩의변형없이사용하는경우는배터리팩별차이 ( 사용방법및사용시간 ) 로인하여규모에제약이따를것임 배터리를분해하여셀또는모듈로사용할경우해제작업이난이하며 Cell 또는모듈을분류및재가공기술이발달예정 국내전기차시장이아직미비하여배터리재사용사업도상당기일소요될것으로예상 전력산업의환경변화에따른대응방안으로 ESS 활용증가 파리협약에따른환경보호를위하여화력발전소비중축소로신재생에너지및에너지저장 장치의활용증가 원자력발전의폐기물처리및오염, 위험성으로인하여신규원자력발전소비중축소 11

16 에너지저장 주민민원으로인한대규모발전, 송. 배전설비의신증설어려움이발생하여저압연계용의 ESS 활용 신재생에너지계통연계증가로인하여발전량이일정하지않고전력계통불안정확대로일시적저장형태의에너지저장장치필요 배터리가격하락에따른전력신산업분야의수익성확보가능전망 신재생에너지출력안정, 전력의피크수요저감, 주파수조정중심적으로활용 국제적온실가스감축노력에따라신재생에너지와연계한 ESS의다양한실증이진행중이며, 전력설비노후화에따른공급부족의대응방안으로 ESS 부각 전력수요예측에따라발전소에서전기를생산하여소비자에게직접제공하는기존의중앙집중형방식은전력수요를미리예측하여수요와공급의불일치가능성이높음 여름또는겨울철전력사용급증에따른대규모정전사고, 일본원전사태및신재생에너지보급확산등다양한환경변화에서기인한전력불확실성에대비하기위하여고용량, 저비용의 ESS 수요확대 전세계산업의발달로산업용전기사용이많아지고있으며, 소득의증대에따른전기용품사용증가로전력사용량이급격히증가하여계절별로전력사용의차이가커지는추세임 공공기관에너지저장장치설치의의무화 2017년부터계약전력 1000킬로와트 (KW) 이상의공공기관은에너지저장장치 (ESS) 를의무적으로설치 산업통상자원부는 2016년 5월 25일공공기관에너지이용합리화추진에관한규정을개정고시하고내년부터계약전력 1000KW이상의공공기관은계약전력 5% 이상규모의 ESS를, 공공기관이연면적 1만제곱미터이상의건축물신축시건물에너지관리시스템 (BEMS) 을의무적으로설치 * 출처 : 산업통상자원부보도자료 (2016) [ ESS 및 BEMS 적용시기대효과 ] 12

17 전략분야현황분석 ESS의경우신축건축물은 2017년부터건축허가를신청하는건축물부터적용되고, 기존건축물 ( 약 1382개소 ) 은 ESS 설치공간및관련예산확보등을감안해규모별로 2017년부터오는 2020년까지단계적으로추진함 BEMS의경우 2017년부터건축허가를신청하는건축물부터설치해야하며, 설치후전문기관 ( 한국에너지공단 ) 을통해확인받아야한다. 설치확인을받은건축물은에너지진단주기연장 (5년 10 년 ) 및에너지절약시설투자에대한세액공제혜택을받을수있음 특성상의무화가곤란한시설에대해서는예외규정을둬제외할예정이며예외대상은임대건축물, 발전시설, 전기-가스공급시설, 석유비축 -상하수도시설, 빗물펌프장, 공항-철도 -지하철시설등이있음 산업통상자원부는이를통해오는 2020년까지 2000억원규모의 ESS 신시장이창출될것으로예상함 일본 ESS 산업현황과 ESS 의필요성 일본은지진으로인한전력의품질이나빠짐으로인하여 ESS의필요성이대두됨 일본은 1978년부터대형이차전지의부하평준화역할에주목하여에너지저장장치가부상하였으며, 현재까지도새로운전력수급계획의중추역할을에너지저장장치가담당하고있음 일본정부가 2030년까지전체전력설비용량의 30% 를재생에너지로구성한다고발표하면서이에따라 ESS 시장이꾸준히성장하기시작 연도별일본 ESS 시장규모성장률 : 73%( 13년 ) 58.4%( 14년 ) 94.1%( 15년, F) 출처 : 야노경제연구소 특히가정용 ESS의성장이두드러져 15년 ESS 시장규모중가정용 ESS가 52.2% 를차지하는것으로파악되며이러한추세는계속되어 20년경가정용 ESS는 66% 까지확대될것으로전망 일본의 ESS 시장규모는 15년 623억엔 ( 약 5,766억원 ) 규모이며, 2025년에는 2,454억엔 ( 약 2 조 2,712억원 ) 까지성장할전망 ( 후지경제연구소 ) 훗카이도전력은신재생에너지출력변동폭을분당 1% 이하까지제어할수있을때전력을판매할수있도록하는기준을새로제정하여향후 ESS 수요가증대예상 16년부터일본정부의 ESS 보조금감액으로시장이다소주춤하였으나 17년예정된전력시장개편에따른전기요금상승의대안책으로재부상할것으로예측 NEDO가발표한 이차전지로드맵 2013 에서 ESS 기술개발방향을계통용과수요관리용으로구분하여특정시점에달성해야하는수명과목표가격을설정 예를들어 2020년계통용장주기 ESS는수명 20년, 가격 2만3천엔 /kwh 목표로함 또한산업생태계를구축하기위한 축전지전략 ( 경제산업성, 월 ) 을통해 2020년세계시장점유율 50% 확보목표를설정하고, 독립형재생에너지발전시스템대책보조금지원정책을마련 13

18 에너지저장 새로운 ESS 시장창출과비즈니스기반조성을위해부하관리인센티브제도와가정용에너지 저장장치대여사업도지원하고있음 나. 핵심플레이어동향 시장점유율 나트륨황전지제조사인 NGK 가세계 1 위로독보적 (47%), 레독스흐름전지는 EnSynC 와 Product Energy 가선도 * 출처 : Navignat(2016) [ ESS 시장점유율 ] 최근각광받는리튬이온전지시장은한. 중. 일 3 국의업체가각축하고있으며, 전기자동차업체 이지만리튬이온전지를이용한가정용 ESS 시장에뛰어든 Tesla 도주목필요 [ 주요플레이어구분 ] 구분나트륨황레독스흐름전지리튬이온전지 주요플레이어 NGK( 일본 ) EnSync( 미국 ) Product Energy( 중국 ) A123( 미국 / 중국 ) BYD( 중국 ) 삼성 SDI( 한국 ) LG 화학 ( 한국 ) 파라소닉 ( 일본 ) Tesla( 미국 ) 14

19 전략분야현황분석 NGK는애자, 가스부싱, 집진필터등을생산하는세라믹회사로미국포드와독일 ABB에서기술이전을받아나트륨황전지개발을시작하였으며 1984년동경전력과프로젝트를시작하여 90년 10KW급모듈테스트등을거친후 02년양산에착수하였으며설치용량은 530MW/( 15.5) 로일본에 360MW, 해외에 170MW이며연간생산능력은 150MW 규모임 EnSync는아연-브롬레독스흐름전지전문기업으로 2013년이후태양광발전및전력판매참여 Prudent Energy는 VRB Power System으로부터기술이전을받아바나듐레독스흐름전지분야에서는시장점유 1위임 A123는 2014년미국의 PHEV사인 Fisker Automotive를인수하여전기차용배터리회사에서전기자동차제작회사로사업확장 BYD는휴대폰배터리제조업체로시작하여중국자동차제작사 Tsinchuan Automobile를인수하여세계최대전기차업체인 BYD Auto 설립 삼성SDI는 IT기기용소형배터리에서시작하여전기차및중대형 ESS용배터리제작에집중하고있으며일본가정영 ESS 시장의 60% 를점유하고있는 Nichcion사에배터리독점공급 LG화학은원가경쟁력을발판으로중국전기버스와 GM Volt등에배터리를공급하면서배터리시장입지구축 파라소닉은전기자동차용배터리출하량및시장점유율에서 1위로테슬라에전기자동차에주로납품됨 TESLA는전기자동차업체로 2015년가정용 ESS와산업용 ESS를출시하여동급최저가격으로시장가격하락요인으로작용 15

20 에너지저장 [ 핵심플레이어분석종합 ] 구분 주요내용 주요제품 / 기술 PCS Power Device 및구동회로, Micro Processor & Digital Signal Processor, Voltage & Current 제어알고리즘, 배터리충전알고리즘등 전력관리시스템 전력변환장치또는배터리관리장치 이차전지 ( 배터리 ) 이차전지용전극소재 ( 양극, 음극 ), 전해질, 분리막, 파우치, 케이스, 전지 / 커패시터, 모듈 / 팩 /BMS, 성능평가장비, 충전장치, 안전성시험기, 자동화설비 에너지저장 비배터리 양수발전, 압축공기저장장치, 플라이휠, 슈퍼캐패시터, 초전도에너지저장기술 배터리관리시스템 VITM 모듈, Cell Balancing 모듈, Protection 모듈, Micro Processor; Measuring algorithm for voltage, current and temperature, 충전량계산, 수명예측충전 / 방전출력예측등 변압기, 차단기, 케이블및계전기류 변압기, 차단기, 케이블및계전기류관련기술 해외기업 SIMENS, LTC/GAIA, 파커하니핀, CONTINENTAL 케이진 슈나이더일렉트릭, 후지전기, 미쯔비시전기, 존슨컨트롤, 하니웰, 론웍스, GE 산요일렉트릭, 파나소닉, 테이진, TODA KOGYO, MITSUBISHI CHEMICAL, SUMITOMO METAL MINING 파나소닉, MAXWELL, 보잉, PG&E, ELNA, NEC-TOKIN, 마쓰시타전기 HITACHI, TOYOTA, 파나소닉, 닛산, SB 리모티브, 미쯔비시, 자동차, 테슬라 ABB, GE POWER, MICROELECT RICA, PNC, SIMENS, FANOX 국내기업 현대기아차, 삼성전자, 삼성 SDI, LG 화학, 현대모비스, 케피코 금호이앤지삼인제어시스템삼성전자 LG 전자신아시스템웰티에스 LS 산전 삼성 SDI, LG 화학, 삼성전자, SK 이노베이션, 코캄, 엘엔에프신소재아모그린텍 네스캡, 삼화콘덴서, 비나텍, 퓨리켐, 코칩, SK 케미칼 삼성 SDI, LG 화학, 현대기아차, LG 전자 효성, LS 산전, LS 전선, 대한전선 중소기업참여정도 중소기업시장점유정도 * 중소기업참여정도와점유율은주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 를고려하여 5 단계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 16

21 전략분야현황분석 4. 시장동향및전망 가. 세계시장 최근 ESS 를전력산업에활용하는사례가증가하는추세임 생산과동시에소비되어야하는전기의특성이배터리기술의발달로인해전기를저장할수있게되어전력산업의패러다임이획기적으로전환 신재생에너지연계와출력안정, 피크수요저감, 주파수조정등에 ESS를활용함으로써전력품질향상및전력수급위기대응가능 발전자원의사업환경변화에따라 ESS는지속적으로증가할전망이며, 국제적온실가스감축노력에따라신재생에너지와연계한 ESS의다양한실증이진행중이며, 전력설비노후화에따른공급부족의대응방안으로 ESS가부각됨 온실가스감축및전력설비노후화의대응방안으로 ESS 실증사업및다양한프로젝트진행 ESS 시장은현재보급초기단계이나미국을중심으로다양한실증사업및프로젝트가활발히 진행중임 발전, 송배전, 수용가에이르기까지다방면에서 ESS 활용가능성증가 * 출처 : AECOM, Energy Storage Study (2015) [ 글로벌 ESS 현황 ] 17

22 에너지저장 가정용 ESS 의빠른속도로성장전망 전세계가정용 ESS 시장은아직까지초기단계이나유럽, 일본, 북미시장을중심으로빠르게 성장하고있으며, 당분간성장률은더욱확대될전망임 글로벌 ESS 시장은 2015 년 24GWh 에서 2020 년 52GWh 로 2.1 배확대예상 미국, 유럽, 일본, 한국등에서정부차원의 ESS 시장확대를추진하고있어서글로벌 ESS 시 장은지속적성장전망 * 출처 : SNE, NH 투자증권 [ 글로벌 ESS 시장전망 (GWh) ] 미국 ESS 설치의무화및주파수저정용 ESS 의전력시장참여허용 캘리포니아주는세계최초로 ESS 설치의무화법안을제정하고, 주내 3 대발전사업자에 2020 년까지 1,325MW 의설치의무부과를의무화하였으며소규모발전사업자들은피크타임전력 소요의 1% 수준에해당하는 ESS 설치명령 [ 캘리포니아주전력사업자별 ESS 설치의무 ] 발전사업자 2014 년 2016 년 2018 년 2020 년누적 Southern California Edison Pacific Gas and Electric San Diego Gas & Electric 90MW 120MW 160MW 210MW 580MW 90MW 120MW 160MW 210MW 580MW 20MW 30MW 45MW 70MW 165MW 전체 200MW 270MW 365MW 490MW 1,325MW * 출처 : California Public Utilities Commission 18

23 전략분야현황분석 주파수조정용 ESS의전력시장참여허용에따라 ESS를발전원, 마이크로그리드분산자원및송배전분야의신기술로인정하고주파수보조서비스시장에서 ESS가참여할수있도록기반을마련 (FERC Order 755) 12년 PJM을시작으로미국전역에서 ESS를주파수조정용으로활용하고있으며, 미국에서진행중인 ESS 사업중 50% 이상이주파수조정용 ESS로활용되어미국내에서 275MW 이상의 ESS가실증중임 * 출처 : Clean Energy Group (2015) [ 주파수조정용 ESS ] 독일 / 일본 ESS 보급확대를위한보조금지급 독일은 20년신재생에너지비중 35% 확대및 ESS 보조금지급을추진으로직접적인 ESS의보급목표량은없지만, 독일연방환경청을통해인센티브를지급하여신재생에너지에부과되는세금및전력계통접속수수료등이면제되며가정용태양광 ESS을활용한피크수요저감프로그램 (KfW 274) 을통해 ESS보조금및저금리대출을제공중임 30KW 용량이하계통연계형태양광발전에 ESS를부착하는설비에한해연간 2,500만파운드의설치보조금지급과연이율 1.36% 고정금리대출제공함 일본은전력부족해결을위하 ESS 조급확대및보조금을지급하고있으며, 원전사고이후전력부족불안감해소를위해태양광과연계한 ESS가증가하고있는추세임 ESS 소비자가구입비의일부를정부로부터보조받는형태로보조금을지급하며비용의최대 1/3을지급함 ( 가정용 100만엔, 법인용 1억엔 ) 19

24 에너지저장 중국 - 신재생에너지출력및전력계통안정화를위한 ESS 보급확대 12차 5개년계획 (11년 ~ 15년 ) 에서신재생에너지와 ESS의보급을추진하였으며, 2014년까지 95MW의 ESS를설치하고신재생에너지출력완화관련실증을진행함 지역간송전제약으로인해전력계통에연계되어있는풍력발전의약 40% 가손실로발생하여중국국가전력망공사는설치된풍력발전설비용량의약 14% 에해당하는 ess 설치및운영을통해계통제약문제를해결하고자노력함 [ 세계에너지저장산업의시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) PCS 1,329 1,661 2,077 2,596 3,245 4,056 5, 전력관리시스템 이차전지 ( 배터리 ) 2,096 3,144 4,192 5,239 6,351 7,853 9, ,032 84, , , , , , 비배터리 842 1,100 1,420 1,850 2,410 3,130 4, 배터리관리시스템 변압기, 차단기, 케이블및계전기류 1,329 1,661 2,077 2,596 3,245 4,056 5, ,115 3,155 3,021 3,039 3,003 2,837 2, 합계 77,743 95, , , , , , * 출처 : 세계 PCS 시장규모 ( 대만 TRI,2011), 세계 BMS 시장규모 ( 대만 TRI,2011), VISIONGAIN(2014), IDTechEx(2013), 정보통신산업진흥원 (NIPA)(2013) 등의자료를참고하여재산정 20

25 전략분야현황분석 나. 국내시장 그동안산업부에서에너지저장장치 (ESS) 를에너지신산업으로선정하고제도개선등적극적인 육성정책을펼친결과, 누적기준으로 13 년 28MWh 에불과하던에너지저장장치 (ESS) 설치용량 이 15 년 239MWh 로급증 ( 연평균증가율 192%) [ 용도별 ESS 누적용량 ] 용도 2013 년 2014 년 2015 년누적 풍력연계형 주파수조정 (FR) 용 * 19 피크절감용 계 ( 단위 : MWh) * 15 년주파수조정 19MWh(52MW) 는 14 년에설치되었으나, 15.6 월부터상업운전이시작되어 15 년신규로산입 ( 상업운전개시기준 ) 15년에는기존최고치 ( 피크 ) 절감용외에풍력연계형 (96MWh) 과주파수조정 (FR) 용 (19MWh, 52MW) 에너지저장장치 (ESS) 를본격적으로설치진행 2016년에산업부는투자촉진을위해에너지저장장치 (ESS) 비상전원인정가이드라인발표 (2.24), 에너지저장장치 (ESS) 활용촉진요금제도입 (3.24), 에너지저장장치 (ESS) 저장전력의전력시장거래허용 (4.7) 의제도개선을완료함 제도개선과함께시장에서의에너지저장장치 (ESS) 설치도활발하게이뤄질전망임. 민간기업은최고치 ( 피크 ) 절감과비상전원용으로 2016년총 55MWh의에너지저장장치 (ESS) 를설치할예정임 전력공기업도 12대의에너지저장장치 (ESS) 를비상전원으로설치 (6MWh, 3MW, 4 6월 ) 할계획이고, 기존에설치했던주파수조정 (FR) 용에너지저장장치 (ESS) 46MWh(184MW) 가시운전을거쳐 7월부터상업운전에들어가게된다. 그외에올해 140MW( 배터리용량기준 35MWh, 상업운전 17년) 규모의주파수조정 (FR) 용에너지저장장치 (ESS) 가발주예상 지난해부터도입한풍력연계형에너지저장장치 (ESS) 와 6월에신재생에너지공급인증서 (REC) 가중치가부여되는태양광연계에너지저장장치 (ESS) 등신재생에너지분야는올해 100MWh 설치가예상되며, 상기물량을감안하면올해총 207MWh의에너지저장장치 (ESS) 가추가로구축됨 2015년까지리튬이온및리튬폴리머배터리를사용한에너지저장장치기술에집중하여 Cell 및 BMS, 배터리조립기술이발달되었음 21

26 에너지저장 [ 국내에너지저장산업의시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 억원, %) CAGR ('13~'15) PCS 1,339 1,712 2,298 2,861 3,742 4,976 6, 전력관리시스템 ,217 1, 이차전지 ( 배터리 ) 311, , , , , ,404 1,158, 비배터리 ,258 1,572 1,905 2,356 2, 배터리관리시스템 변압기, 차단기, 케이블및계전기류 2,906 3,144 4,192 5,239 6,351 7,853 9, ,056 5,187 5,533 5,760 6,008 6,266 6, 합계 322, , , , , ,072 1,185,3 82 * 출처 : 세계 PCS 시장규모 ( 대만 TRI,2011), 세계 BMS 시장규모 ( 대만 TRI,2011), VISIONGAIN(2014), IDTechEx(2013), 정보통신산업진흥원 (NIPA)(2013) 등의자료를참고하여재산정 24 22

27 전략분야현황분석 5. 기술동향및이슈 에너지저장기술 저장방식에따른에너지저장기술은아래의표에간략히나타냄 [ 저장방식에따른에너지저장기술의분류 ] 전기저장방식 에너지저장시스템의종류 양수발전 물리적저장 압축공기저장장치 플라이휠 리튬이온전지 화학적저장 나트륨황전지 납축전지 흐름전지 전자기적저장 슈퍼캐패시터 초전도에너지저장 에너지저장기술개발은현재전력저장위주로진행되고있으며가장성숙된에너지저장기 술은양수발전임 * 출처 : ESP(2015) [ 에너지저장기술종류및기술성숙도 ] 비배터리방식은배터리방식을제외한모든저장방식을말하는데양수발전이가장보편적임 배터리저장방식은양극과음극이분리막에의해떨어져있고두전극사이에이온을전달하는 전해질로구성되며화학에너지를전기에너지로변환하여사용되는것을말함 23

28 에너지저장 최근 ESS는 2차전지 ( 충전해서반복적사용가능한전지 ) 를이용한전기저장방식에집중하고있고특히에너지밀도가높고효율이좋은리튬이온전지와전해질만추가할경우손쉽게용량을확장할수있고수명또한리튬이온전지의 10배에달하는레독스흐흠전지, 저비용의나트륨황전지기술개발이진행중임 레독스흐름전지 환원 / 산화흐름을이용해전기를저장하고사용하는장치로펌프를이용해전해액을전달하는과정때문에흐름전지라고불리며일반적인 2차전지는고체전극에전기가저장되지만레독스흐름전지는액체전해질에저장됨 전해질만교체로배터리재생가능으로인한비용절감 전해질종류에따라바나듐레독스흐름전지, 아연-브롬레독스흐름전지등으로구분됨. 한창산업은레독스흐름전지의전해액을개발완료 레독스흐름전지는시장이형성되기전인실증단계로대표기업인롯데케미칼은미국 EnSync 와공동개발진행중임 국내에서는 2010년을전후로본격적인연구개발이진행되었으며, OCI, 한국에너지기술연구원, 롯데케미칼, H2가성능개발에앞장서고있음 나트륨황전지 나트륨을음국으로황을양극으로사용하는전지, 나트륨이온이충전및방전시황과결합분리되며발생하는전자의흐름을이용하여전기를생산하는전지로 300~ 350도의고온이유지되어야하는데가동시에는히터등으로가열하고운전중에는배터리자체발열을이용함 나트륨환전지는리튬이온배터리에비하여비용이저렴하지만용량에따라크기와무게가늘어나휴대용전자기기에는적합하지않고전력설비나가정용으로가능함 ESS 시장에서점유율 1위인일본 NGK는세계최초로 NaS 상용화에성공하였고 2015년 1Q 시장점유율이세계1위로독보적임 나트륨황전지는실증초기단계로포스코가유일한제조업체이며, 대표적인에너지다소비기업으로나트륨황전지를적용할수있는내부시장보유 리튬이온전지 ESS 에서자강빠르게성장하고있으며흔히말하는 2 차전지의대표기술로가볍고기억효과가 없어충전용량을유지하기쉬우며, 자연방전이적어장기간에너지를손실없이저장할수있 어휴대용전자기기, 전기차, 전력망 ESS 시스템등에폭넓게이용됨 24

29 전략분야현황분석 가격이부담스럽지만성능개선및원가절감에따라성장가능성이충분함 기술개발은한국및일본업체가기술선두에있으며특히한국의삼성SDI, LG화학, SK이노베이션등의대기업과코캄및기타중소형업체에의하여기술개발이진행중 LG화학은 2013년 7월부터독일 SMA사에 2KW급가정용 ESS배터리를공급했고, 2014년 3 월에는미국전력사에에너지저장장치를단독공급함 국내전력회사 ( 한전 ) 은 2013년 11월 ESS를활용한지능형사옥에너지관리시범사업에착수하였구구리남앙주지사에 ESS 50kWh 활용스마트그리드스테이션개발 삼성 SDI는 2014년에인도 ACME사에 2년간총 110MWh 규모의 ESS공급 MOU를체결하였고, 통신기지국, 태양광연계용 ESS를독점공급하였고, 향후태양광발전과연계한 ESS 설치사업도적극전개할계획임 리튬이온전지는 LG화학및삼성SDI등의대기업을중심으로많은전지제조업체로구성되어단가를낮추는데많은노력을기울이고있음 효과적제어를위하여 BMS가필요하며 BMS의역할은충전상태의균형을위한밸런싱기술및고속충전기술, 고장검출및보호를위한회로기술이필요 리튬이온 ( 리튬폴리머 ) 의배터리는크게 2가지기술로나누어짐 [ 저장방식에따른에너지저장기술의분류 ] 구분 Cell BMS & Battery Assemble 제조업체 삼성 SDI LG 화학 SK 이노베이션코캄 EIG 넥스콘테크놀러지 ITM 반도체미섬시스텍넥트로닉스이랜텍 TS 글로벌하이테크원 미국의테슬라의경우 Cell 기술이아닌 BMS 나 Battery Assemble 기술을가지고있으며국 내의경우는 BMS 및 Battery Assemble 기술이중소기업에서개발되고있음 리튬이온배터리기술에서 BMS 및 Battery Assemble 기술이중요한역할이예상됨 25

30 에너지저장 6. 중소기업시장대응전략 Factor 기회요인위협요인 정책 세계적인연비제한규제강화로인한전기자동차수요급증 저장된에너지의상업적활요을위한정책수립및표준화정책수립 2020년까지 6.4조원규모기술개발및설비투자추진및 EES 설치의무화방안을검토 초기시장조성을위한기술검증및투자확대가어려움 신규물질개발을위한정책이미흡한상태 안정성기준이강화되는상태 산업 세계적으로에너지저장산업에대한주도권확보를위한연구개발지원및다양한보급사업추진 국내주요대기업이글로벌기업과협업을통해에너지저장산업의사업확장주력 리튬의가격이 kwh 당 400 달러이하여야시장성 확보가능 국내의경우아직기술검증을위한실증단계정도 시장 장기저장, 단기저장등의시장으로구분된초기시장이형성 신재생에너지, 글로벌전력수요증가로 2조원규모의초기시장형성 2030년 1,300억달러시장으로성장전망 주요선진국들이에너지저장장치시장주도권을선점 선진국의에너지를이용한다양한비즈니스모델이활성화되고있으나, 국내는미진한상태 기술 에너지저장연구개발및실증이활발히추진중, 향후에는전력망용대규모저장위주로기술개발전망 가정용에너지저장개발에대한수요증가 기존리튬2차전지의에너지밀도에이론적한계가존재 신규물질들에대한연구는많으나사업화가능한작동안정성이확인된신생저장장치에대한기술부족 전기자동차수요급증 에너지저장산업주도권확보요구 리튬이차전지저장용량한계 안정성확보의어려움 정책적인저해요인해소 대규모시장형성 중소기업의시장대응전략 글로벌시장트렌드에따른국가정책적지원확대에따라시장진입이용이해질전망으로시장진입을위한구체적목표시장수립 신규소재개발에대한기술적진보가이루어지고있으므로고부가가치산업이확대될전망임에따라관련기술에대한추가연구 고용량, 고밀도저장장치 SPEC에따른연구개발지원정책활용 26

31 전략분야현황분석 7. 중소기업전략제품 가. 중소기업기술수요 중소기업, 대기업 공기업등에대하여설문조사및방문조사를통하여기술수요조사를실시 중소기업청 R&D지원사업에신청한과제를에너지저장산업을 6대기술분야별로분석한결과, PCS(37.5%), 이차전지 ( 배터리 )(19.3%), 변압기 차단기 케이블및계전기류 (13.4%), 전력관리시스템 (12.3%), 배터리관리시스템 (11.3%), 비배터리 (6.2%) 순으로중소기업이기술개발에관심을보이는것으로분석 주요품목별기술개발과제의증가하는추세를살펴보면 PCS 품목의증가율이가장높게나타났으며, 비배터리, 이차전지 ( 배터리 ), 전력관리시스템, 배터리관리시스템, 변압기 차단기 케이블및계전기류순으로기술개발이증가하는것으로나타남 주요기술분야별신청과제에대한내용을분석하여각분야별로중소기업이관심을갖는제품을파악 PCS 분야에서는에너지절감형전력제어기, 전원장치등과관련된기술개발에대한수요가높은것으로나타났으며, 전력관리시스템분야에서는송배전보호및감시장치등에대한기술개발수요가높은것으로나타남 이차전지 ( 배터리 ) 분야에서는리튬이온2차전지, 레독스흐름전지자동차용부품개발등에대한수요가높았으며, 비배터리분야에서는고신뢰성초고용량커패시터등에대한수요가높은것으로나타남 배터리관리시스템분야는전기자동차배터리관리시스템, 배터리성능진단시스템등에대한수요가높았으며, 변압기 차단기 케이블및계전기류는에너지절감형, 고신뢰성의차단기및변압기의수요가높은것으로나타남 [ 중소기업청 R&D 지원사업신청과제현황 ] 주요품목 과제건수 합계 점유율 (%) 평균증가율 (%) PCS 전력관리시스템 에너지저장 이차전지 ( 배터리 ) 비배터리 배터리관리시스템변압기, 차단기, 케이블및계전기류 합계

32 에너지저장 나. 중소기업전략제품 [ 에너지저장분야전략제품 ] 전략제품 개요 하이브리드금속공기전지 음극물질로리튬, 아연등의금속을사용하고, 공기중의산소를양극활물질로사용하는전지로, 기존양극물질이환원되는타전지와는다르게전자를잃고환원되는물질이산소인특징을갖는기술임 고용량커패시터 많은에너지를모아두었다가수십초또는수분동안에높은에너지를발산하는동력원으로기존의콘덴서와이차전지가수용하지못하는성능특성영역을채울수있는유용한부품 에너지저장 이차전지분리막 이차전지양극재 전극재료를더많이충진하기위해전극판의두께와밀도는증가시키고분리막의두께는감소시키자안전성문제가노출되어안정성은확보되면서도전자이동효율을높이는기술 리튬이온이차전지에서양극전극에사용되는활물질로양극은이차전지의방전중환원되는전극을의미하며, 2 차전지의종류에따라양극활물질로는니켈계, 리튬계, 납계등이있으며, 전구체, 도전재, 바인더, 집전체, 전극및이를구성하는소재를포함 이차전지전해질 전기자동차에적용되는이차전지의안정성을높이기위한관련기술로이온전도도를높인폴리머전해액등의전해질관련기술 레독스플로우배터리 레독스플로우이차전지는산화수가다른액상의양극전해액및음극전해액으로구성된전지로서양극및음극전해액을구성하고있는레독스커플의전위차이에의해기전력이발생하는전지시스템임 28

33 전략제품현황분석 하이브리드 금속공기전지

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35 전략제품현황분석 하이브리드금속공기전지 정의및범위 하이브리드금속공기전지는기존의이차전지를대체할수있는새로운에너지저장장치로음극에리튬, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 철, 칼슘, 나트륨등의활성금속을사용하고, 양극에는탄소담체존재하에활물질로공기중의산소를이용하는친환경적인전지 하이브리드금속공기전지는전지의구성요소에따라양극, 음극, 전해질, 분리막으로분류할수있으며, 공급망관점에서음극의종류에따라리튬공기전지, 아연공기전지, 기타하이브리드금속공기전지로분류할수있음정부지원정책 최근전지연구조합을전지산업협회로확대발전시켜전지산업종합시스템을구축하였으며, 산하기관으로인력양성을위해전지개발기획단을발족함 전기자동차및에너지저장용중대형전지의국제표준화규격을제정하는 IEC와 ISO에표준안을적극적으로제안하고있으며, 국제표준화로연결가능한정부지원기술개발과제추진및국내외표준규격대응위원회및포럼결성을추진하고있음 지식경제부에서는 2020년에 ESS(Energy Storage System) 분야에서세계 3대강국으로의도약을목표로세계시장점유율 30% 달성을목표로하는 K-ESS 2020 정책을발표함 2020년까지기술개발에 2조원 ( 정부 : 0.5조원, 민간 : 1.5조원 ), 설비구축에 4.4조원투자 ( 민간 ) 총 6.4 조원규모의 R&D 및설비를투자할예정임 중소기업시장대응전략 강점 (Strength) 글로벌규모국내수요기업확보 나노기술표면개질기술등소재기술향상 소재개발기술이활발기회 (Opportunity) 중소기업의신사업창출가능분야임 소재개발중요성인식, 지원확대 전기자동차, 전력저장등전지수요확대예상 약점 (Weakness) 핵심원천기술및개발인력부족 원자재의수입의존성이큼위협 (Threat) 글로벌선진기업의국내진출 자원의편재및선진국독점화 일본의선진기술보호장벽 중소기업의시장대응전략 부품소재기술의확보및국산화를통한하이브리드금속공기전지의기술경쟁력강화및시장선점 내부식성및에너지효율성향상을위한관련기술개발 소재가격저감을위한원천소재기술확보 31

36 에너지저장 하이브리드금속공기전지 핵심기술로드맵 32

37 전략제품현황분석 1. 개요 가. 정의및필요성 하이브리드금속공기전지는기존의이차전지를대체할수있는새로운에너지저장장치로음극에리튬, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 철, 칼슘, 나트륨등의활성금속을사용하고, 양극에는탄소담체존재하에활물질로공기중의산소를이용하는친환경적인전지 음극으로사용될수있는여러금속을이용한 Ca-Air, Mg-Air, Fe-Air, Al-Air 전지등이검토되었음 리튬공기전지는음극으로리튬을사용하고, 양극 ( 공기극 ) 은활물질로공기중의산소를이용하는전지시스템 공기중의산소를무제한으로공급받기때문에비표면적이넓은공기극을통해서많은양의에너지를저장할수있기때문에높은에너지밀도특성을가짐 음극에서는리튬의산화및환원반응, 공기극에서는외부로부터유입되는산소의환원및산화반응이일어나며이차전지및연료전지기술이복합된전지시스템이라할수있음 리튬공기전지는방전반응시리튬금속의산화반응에의해리튬이온과전자가생성되고, 리튬이온은전해질을통해이동하고, 전자는외부도선을따라공기극으로이동하게됨 외부공기에포함된산소는공기극으로유입되어도선에따라이동한전자에의해환원되며 Li 2 O 2 가형성됨 [ 비수계리튬공기전지의작동원리 ] 에너지밀도가 700~3,000mAh/g 이상의큰에너지밀도를가짐 기존리튬이온전지의에너지밀도가 120 ~ 150mAh/g인것과비교하여높은에너지밀도를가짐 이때문에해외선진전지업체및연구기관에서리튬공기전지를차세대리튬이차전지로주목하고있음 전기자동차의장거리주행에따른기존이차전지보다큰에너지밀도는가진리튬공기전지의핵심기술요소확보및개발이진행중에있음 33

38 에너지저장 - 하이브리드금속공기전지 아연하이브리드금속공기전지는음극으로아연을사용하고, 양극 ( 공기극 ) 은활물질로공기중의산소를이용하는전지시스템 하이브리드금속공기전지중상용화된전지로높은에너지밀도, 높은가격경쟁력, 풍부한자원및친환경특성등으로많은장점이존재 아연금속은상대적으로수계와알칼라인전해액에서화학적안정성이우수하며, 아연분말을사용하고있으므로무공해전지이며양극반응물질의무게를거의제로로만들수있는장점이있음 리튬이차전지의중량당에너지 (180 Wh/kg) 에비해아연금속공기전지 (470 Wh/kg) 의중량당에너지가더높으며, 제조비용이저렴함 전기자동차구동용차세대고용량배터리개발필요 전기자동차구동용차세대고용량배터리는 1회충전시, 전기자동차의주행거리가내연기관자동차수준인 500km 이상으로주행가능하게할수있는고에너지밀도특성을지니며, 기존하의브리드및플로그인하이브리드차량에적용되는니켈-금속수소화물, 리튬이온배터리의용량한계를넘어서는새로운형태의배터리요구 * 출처 : 일본 NEDO, 2 차전지개발로드맵 [ 고용량배터리기술발전개념도 ] 34

39 전략제품현황분석 나. 범위 (1) 제품분류관점 하이브리드금속공기전지는전지의구성요소에따라양극, 음극, 전해질, 분리막으로분류할수있음 음극은충전시금속이온을흡수하고방전시금속을방출할수있는활물질소재분말과도전재및바인더로구성되어있는전극임 공기극은공기중에존재하는산소를이용하며양극에서는산소가외부로부터유입되면서물과만나전자를얻는환원반응이일어나고 OH - 이온이생성되며생성된이온은전해질을통해음극쪽으로이동함 리튬공기전지는전해질의종류에따라유기계 (Aprotic), 수계 (Aqueous), 고체형 (Solid state), 하이브리드형 (Mixed aqueous/aprotic) 으로구분할수있다. 전해질의종류에따라전해질을따라이동하는이온의종류가달라지며, 따라서반응부산물의종류및작동전압, 과전압등의차이가발생한다. 또한음극으로사용되는리튬금속과전해질과의반응성을고려하여전지구조도큰차이를보임 분리막은 OH 이온이외의다른물질이통과하지못하게막아주는역할을하는것으로알칼리용액과반응하여손상되지않기위해알칼리용액에서안정성을가져야함 [ 제품분류관점기술범위 ] 전략제품제품분류관점세부기술 음극 리튬, 아연, 알루미늄및기타금속 Protection Layer 하이브리드금속공기전지 공기극 전해질 분리막 탄소또는전도성금속으로구성된공기극구조개발기술 공기전극촉매소재기술 공기전극분극최소화기술 수용성전해질 유기성전해질 고체전해질 고분자전해질 리튬보호막기술 35

40 에너지저장 하이브리드금속공기전지 (2) 공급망관점 하이브리드금속공기전지는음극의종류에따라리튬공기전지, 아연공기전지, 기타하이브리드금속공기전지로분류할수있음 리튬공기전지는음극으로리튬을사용하고양극 ( 공기극 ) 은활물질로공기중의산소를이용하는전지시스템으로리튬의산화및환원반응, 공기극에서는외부로부터유입되는산소의환원및산화반응이일어나며이차전지및연료전지기술이복합된전지시스템 아연금속전지는음극으로아연을사용하고양극 ( 공기극 ) 은활물질로공기중의산소를이용하는전지시스템 기타하이브리드금속공기전지는음극으로마그네슘, 소듐, 알루미늄, 철, 카드뮴등을응용한공기전지등이존재함 [ 공급망관점기술범위 ] 전략제품 공급망관점 세부기술 다공질탄소의양극, 금속리튬의음극, 전해질물질개발기술 리튬공기전지 유기전해액의발화, 증발, 분해, 공기중수분용해등의문제점을해결하기위한안정적인유기전해액재료개발기술 전극소재및촉매개발기술 하이브리드금속공기전지 아연공기전지 다공질탄소의양극, 금속리튬의음극, 전해질물질개발기술 전극소재및촉매개발기술 기타하이브리드금속공기전지 다공질탄소의양극, 금속의음극, 전해질물질개발기술 전극소재및촉매개발기술 36

41 전략제품현황분석 2. 산업환경분석 가. 산업특징및구조 (1) 산업의특징 스마트 IT기기의보급확대, 글로벌연비규제강화, 신재생에너지생산량증대등으로인해이차전지시장은지속적으로확대될전망으로 IT기기, 그린카, 대용량저장장치분야에서이차전지는필수핵심부품임 휴대폰, 노트북등소형모바일기기에많이사용되었으나, 최근에는전기차, 대용량에너지저장장치등사용분야가확대되고있음 소형 IT기기가시장의대부분을차지하고있으나, 향후전기차와스마트그리드보급으로대용량저장장치가확대될전망 이차전지산업은기술집약적인산업에해당되며, 한국의경우전지제조기술에서는선진국과대등한기술경쟁력을보유하고있으며, 세계 1위의시장점유율을유지하고있으나부품소재관련기술은매우취약 이차전지시장이보다확대되기위해서는수명증대, 안정성, 신뢰성, 가격인하등이기술적으로선결되어야함 이차전지산업은전후방산업에막대한영향을미치며, 전방산업에위치한전기자동차, 전력저장장치, 로봇, 모바일 IT 기기등의핵심부품으로사용되어이차전지의개발여부가전방산업의존폐좌우 이차전지산업의발전은후방산업인부품 소재산업및생산설비산업과동반성장이요구되는사업 (2) 산업의구조 이차전지산업은전지제조부분과후방산업인부품 소재부분, 그리고전방산업인 Mobile IT, 전기자동차, 전력저장장치등으로구성 이차전지분야에서중소기업의주요사업영역은후방산업영역이며, 전방산업의경우 Mobile IT 영역에서중소기업의참여가가능 후방산업인부품 소재부분의경우, 양극및음극소재, 전해질, 분리막등이이차전지의용량, 수명, 출력, 가격등을결정하는핵심인자로작용하며, 이들을조립하여이차전지를제조하므로부품 소재의기술력및생산기반확보가매우중요 37

42 에너지저장 하이브리드금속공기전지 이차전지제조의경우, 삼성 SDI 와 LG 화학을중심으로이루어지고있으며, 새로운기업들이진 입, 부품 소재분야에주로참여하고있는중소기업들은삼성 SDI 와 LG 화학에서요구하는부 품과소재공급 [ 이차전지분야산업구조 ] 후방산업이차전지전방산업 양극소재음극소재분리막전해질외장재전구체 전지제조공정전지제조설비전지화성장비전지성능평가장비제조자동화 휴대폰, 노트북 PC, 스마트폰등 Mobile IT 디지털카메라, MP3P, 캠코더등전기전자제품전기자동차 (HEV, PHEV, EV) 태양광전력저장, 풍력발전전력저장등신재생에너지저장장치지능형로봇 (Care Robot, 엔터테인먼트, 경비, 교육등 ) 부품 소재를생산하고있는기업들은벤처및중소기업들이주를이루고있었으나, 최근중대형이차전지중심으로급격한시장성장으로대기업들이참여및자본투자활발 부품 소재관련중소기업들은양극, 음극, 전해질, 분리막및기타부품 소재등다양한분야로진출하였으나, 경쟁력있는기술을일부확보하고상용제품을생산하는중소기업은양극소재에치중 [ 이차전지분야산업연관구조 ] 구분부품 소재리튬이온전지전방산업제품 주요내용 리튬이온전지용양극활물질, 음극활물질, 전해액, 격리막및기타부품 리튬이온전지제조 리튬이온전지가활용되는분야의관련제품으로모바일 IT 기기및전기자동차 대기업 GS 칼텍스, SK 이노베이션, 포스코켐텍, 한화석유화학등 삼성 SDI, LG 화학, SK 이노베이션 삼성전자, 엘지전자, 현대자동차등 주요업체 중소기업 대정이엠, 에코프로, 엘엔에프신소재, 한국유미코아, 테크노세미켐, 율촌화학등 에너테크인터내셔널, 코캄, EIG, 한국파워셀등 다수의중소기업 * 자료 : e-kiet 산업경제정보 (KIET 산업연구원 2013 년 12) 38

43 전략제품현황분석 나. 경쟁환경 ( 리튬이온전지개발위주의정부지원 ) 국내이차전지관련기술개발프로젝트는리튬이온전지용소재, 부품, 생산기술위주의투자로이루어졌음 2010년 7월지식경제부 ( 현산업통상자원부 ) 를비롯한관계부처합동으로 이차전지경쟁력강화방안 을발표하고, 이차전지경쟁력강화를위한통합로드맵등실천과제수립 현재까지정부의정부 R&D는단기적성과창출을위해지식경제부 ( 현산업통상자원부 ) 를중심으로생산제조기술개발에집중돼왔으나, 최근핵심소재등차세대전지의원천기술확대를위한투자를고려중 ( 고에너지밀도차세대이차전지정부지원 ) 고에너지밀도의이차전지를전기자동차에적용하기위해현재의리튬이온전지를대체할차세대이차전지기술들에대한정부지원이최근시작되었으나제한적임 정부주도의전기자동차용리튬이온전지 R&D 추진현황을살펴보면, Mild HEV용고출력리튬이온폴리머전지는 35kW급 HEV용고성능 LPB 제조기술및부품 소재 핵심장비개발을추진 하이브리드자동차용 (HEV) 용고출력리튬이온폴리머전지는 50kW급 HEV용고출력리튬이온폴리머전지개발을목표로진행 플러그인하이브리드자동차 (PHEV) 용리튬이온전지는 16km 주행가능한 PHEV용 (2008년 12월 ~ 2013년 9월 ), 32km 주행가능한 PHEV20용 (2008년 10월 ~2012년 9월 ) 이차전지시스템을 LG화학, SK에너지, 현대자동차등이 PHEV용이차전지를공동개발함 산업부및미래부를중심으로현재의리튬이온전지의에너지밀도향상을위한고에너지밀도형이차전지인전고체전지, 금속-공기전지, 리튬-황전지, 마그네슘이온전지에대한소재기술개발과관련된지원을시작함 고에너지밀도형차세대이차전지나가격경쟁력및자원활용도가높은대용량비리튬계차세대이차전지에대한원천기술개발지원은미비한실정으로최근투자를확대하고있는선진국들과극명히대조가되고있음 향후해당기술의기술경쟁력을확보하기위해소재, 원천기술개발분야에조기에집중적인연구지원이필요함 ( 대용량차세대이차전지정부지원 ) 아직활성화되지않았으나시장주도권을잡기위해정부주도의연구개발지원및다양한보급사업을통한사업화단계를추진하고있음 미국, 일본, 유럽등주요선진국들은연구개발및실증을활발하게추진중으로사업화진입단계이며, 특히리튬이온전지업체들은정부와협력을통해시장창출을노력중 국내전력저장용대용량이차전지관련정부지원은주로리튬이온전지, 슈퍼커패시터, RFB 등기존에개발된이차전지시스템부품소재개발및실증사업을중심으로진행되고있음 국내의전력저장시스템 (ESS) 관련정부지원연구개발은대용량의새로운이차전지시스템및소재의개발에초점을맞추고있지않고, 기존에다른용도로개발완료된이차전지를활용한실증사업에초점이맞추어진행중임 39

44 에너지저장 하이브리드금속공기전지 ( 국내업체현황 ) 리튬이차전지용부품소재기술개발은삼성 SDI, LG화학, SK이노베이션등이진행하고있으며, 각부품소재별기술편차존재 국내에서이차전지관련기술개발을추진중이나원천부품소재기술수준은선진국보다열세 자동차용이차전지및전력저장용이차전지시장의확대에따라고용량 / 고에너지밀도이차전지개발이필수적이나국내기술수준은초보적인수준 LG화학은 GM 시보레볼트전기자동차에배터리를공급중이며, 르노등의업체와도대규모공급계역체결 삼성 SDI는경상남도양산에대규모생산라인을설치하였으며, BMW 등의자동차업체와전기자동차배터리공급계약체결 [ 제품분류별경쟁자 ] 구분 경쟁환경 기술분류음극공기극전해질분리막 주요품목및기술 하이브리드금속공기전지음극에활용되는소재개발 하이브리드금속공기전지공기극에활용되는소재개발 이온의이동이가능하게해주는매개체로써전해질개발 공기극과음극의내부단락을차단하는분리막개발 해외기업 Hitachi chemical, Nippon Carbon JFE Chemical, BTR Energy Nichia, BYD, 산도쿠 UBE Industries, Mitsubishi Chemical, Tomiyama Pure Chemicals, STELLA CHEMIFA CORPORATION, KANTO DENKA KOGYO, MORITA CHEMICAL Asahi Kasei, Celgard, Tonen Specialty, Ube Industries, Sumitomo Chemical 국내기업 GS 칼텍스, 포스코켐텍 삼성 SDI, LG 화학, SK 에너지, 포스코 ESM, 코스모신소재, GS 칼텍스, 포스코켐텍 삼성정밀화학, 솔브레인, 파낙스이텍 삼성 SDI, LG 화학, SK 이노베이션 40

45 전략제품현황분석 다. 전후방산업환경 이차전지업체와수요기업인자동차업체간의관계에있어서, 미국과유럽의자동차업체는이차전지공급업체의다변화를추구함에따라미국, 중국, 유럽등에서한국의이차전지업체가세계적인시장지배력을확보 전기자동차기술개발을선도하였던일본의이차전지업체들은자국의특정자동차업체들과만긴밀한관계를갖게됨에따라, 일본의자동차업체들은이차전지업체와의합작회사설립을선호하였음 일본의 Panasonic은 Toyota와합작으로 PEVE를설립하며 HEV때부터 Toyota의친환경차전지를공급하는역할을하였으며, 2009년 Sanyo를인수하면서이차전지경쟁력이강화되었으며, 이를바탕으로 Tesla Model S에원통형이차전지를단독으로공급하고있음 Panasonic은 2017년까지일본내 Tesla 전용라인에 $7억을투자하여연간 6억개의원통형셀 (7GWh 규모 ) 제조설비를갖출계획이며, 이와별개로 Tesla가추진중인기가팩토리사업에참여하여 $10억을투자함 AESC는 Nissan과 NEC의전기자동차용이차전지합작회사를설립하여자동차용중대형이차전지사업을추진중임 (Blue Energy: GS Yuasa-Honda JV, Lithium Energy Japan(LEJ): GS Yuasa-Mitsubishi JV) Toshiba는 Mitsubishi에서생산하는 BEV에리튬이온전지를공급하고있으며, 음극소재로출력특성과내구성이우수한 Li 4 Ti 5 O 12 를사용하여출력특성이중시되는전기자동차이차전지사업을추진중임 ) 미국의 Johnsons Control은각형리튬이온전지에서 NMC양극활물질을사용한고용량리튬이온전지제품을 2015년부터양산할계획임 향후에는미국, 중국, 유럽의다양한자동차업체와협력하고있는 LG화학, 삼성 SDI와일본 Panasonic의 3강체제가굳어질가능성이높으며, 일본자동차회사와의합작회사 (PEVE, AESC) 의성장은제한적일것으로전망됨 41

46 에너지저장 하이브리드금속공기전지 * 출처 : 일본 NEDO, 2 차전지개발로드맵 [ 전기자동차용이차전지업체별수요구조 ] 전력저장시스템용이차전지로가장많이이용되고있는리튬이온전지수요확대에가장큰걸림돌은가격문제로 2015년기준으로리튬이온전지가격은 $500/kWh을상회하고있는상황에서현가격으로투자비를회수하기가어려운상황임 에너지저장장치의높은가격으로인해수요는정부시점사업등공공용도에제한되어있음 리튬이온전지가격이 $250/kWh까지떨어지는 2020년기점으로에너지저장장치의수요가급격히증가할것으로예상됨 42

47 전략제품현황분석 3. 시장환경분석 가. 세계시장 2018 년세계이차전지시장규모는연평균 148.8% 증가한 188,597 백만달러로추정, 제품 군별최대규모시장분야는 123,382 백만달러의모바일 IT 용이차전지시장으로예측 가장비중이큰모바일 IT 용이차전지의성장률 (16.1%) 과비교시전력저장용이차전지의경우 89.5% 으로급격한상승세 [ 이차전지분야의세계시장규모및전망 ] 구분주요품목 ( 단위 : 백만달러 ) CAGR ('13~'15) 모바일 IT용이차전지 89, , , , , 자동차용 24,372 34,901 49,804 71, , 이차전지세계시장전력 저장용 6,946 13,162 24,942 47,265 89, 이차전지 이차전지시장규모 114, , , , , * 자료 : IIT, Hiedge, Frost & Sullivan, 노무라종합연구소, 국내시장은세계시장의 10% 가정, 1US달러 =1,160원가정, 자동차용및전력저장용이차전지는이차전지에포함되므로합계는이차전지시장 (2015년현재 기준 ) ( 세계전기자동차시장전망 ) 2020년전기자동차판매량은 2,450만대로 2013년 ~2020년기간동안연평균 96% 의큰폭으로증가될것으로예상됨 전기자동차가차지하는비중은 2013년 2.3% 에서 2020년 20% 로크게증가할것으로전망되며, 특히순수전기자동차 (BEV, PHEV) 의비중이 2013년 0.2% 에서 2020년 11.9% 로크게증가되어, 하이브리드전기자동차 (HEV) 보다더높아질것으로예상됨 2007년세계금융위기이후, 미국을중심으로한전기자동차시장의확대노력에따라이차전지업체들의낙관적인전망과함께대규모설비투자를하였으나전기자동차시장성장속도가예상치를크게하회하면서이차전지산업은공급과잉상태에서가동률하락과실적악화를경험하였으나, 이후공급측면의구조조정이이루어져현재공급능력이늘어가는추세임 43

48 에너지저장 하이브리드금속공기전지 * 자료 : SNE 리서치 [ 세계전기자동차시장전망 ] 2015년 17,023백만달러로전체이차전지시장규모의 14.0% 를차지하나자동차용이차전지의확대로 2018년 49,804백만달러로전체이차전지시장규모의 26.4% 를차지할것으로예상 전기차용에너지저장장치시장은초기 HEV 시장에서출발하여 PHEV, EV 시장등으로확대가예상되지만, 에너지저장시스템의크기가커짐에따라에너지밀도와가격이가장중요한인자로인식되고있음 향후이차전지수요는미국, 중국, 유럽중심으로크게증가할것으로보이며, 특히 BYD를제외하고는전기자동차용이차전지를제조할수있는기술력을보유한이차전지업체가없는중국시장에서글로벌이차전지업체들이치열하게경쟁할것으로예상됨 전세계적으로지금의 HEV 위주의전략으로도연비및환경규제를달성할수없으므로, 전기자동차용이차전지수요시장은전체적으로급격한성장세를보일것으로전망됨 * 자료 : SNE 리서치, 이트레이드증권리서치 [ 주요국가별전기자동차용이차전지수요전망 ] 44

49 전략제품현황분석 전력저장시스템용이차전지시장규모는 2013년 1,020백만달러, 2015년 3,665백만달러, 2018년 24,942백만로연평균 89.5% 성장할전망 미국 DOE Global Energy Storage Database에등록한등록되어있는 2010년이후진행되고있거나현재계획단계에있는전세계 ESS 프로젝트중배터리타입 ESS는전체의 58.4% 에육박 리튬이온전지는배터리타입 ESS중 65.7% 를차지하고있을만큼배터리타입기술중에는압도적으로많은비중을차지하고있다할수있으나, 리튬이온전지는에너지밀도가높고, 높은출력구성하는데유리하며저장효율및수명특성이우수한반면가격이비싸다는단점이있음 나. 국내시장 이차전지의국내시장 ( 모바일 IT용, 자동차용, 전력저장용이차전지 ) 규모는 2015년 512,058억원으로추정 ( 비중 ) 모바일 IT용이차전지비중이대부분 (505,066억원 ) 이며자동차용시장은시작단계 ( 시장 ) 모바일 IT용이차전지시장은연평균 23.6% 성장, 2017년 914,110억원예상 국내모바일 IT용이차전지의세계시장점유율은 2009년 31.4% 에서 2013년 45.4% 로성장하였으며, 현재의성장률을유지할경우 2018년 68.9% 의세계시장점유율이기대되어모바일 IT용이차전지시장을주도할것으로예상 자동차용이차전지규모는 2014년 5,913억원으로세계시장의 4.3% 에불과하나자동차용이차전지세계시장의성장과더불어 2018년 19,293억원예상 구분주요품목 모바일 IT 용이차전지 [ 이차전지분야의국내시장규모및전망 ] ( 단위 : 백만달러 ) CAGR ('13~'15) 576, , ,110 1,129,840 1,396, 국내시장 자동차용이차전지 전력저장용이차전지 이차전지시장규모 14,014 16,443 19,293 27,125 38, , , ,404 1,158,354 1,437, * 자료 : IIT, Hiedge, Frost & Sullivan, 노무라종합연구소, 국내시장은세계시장의 10% 가정, 1US 달러 =1,160 원가정, 자동차용및전력저장용이차전지는이차전지에포함되므로합계는이차전지시장 (2015 년현재기준 ) 45

50 에너지저장 하이브리드금속공기전지 다. 무역현황 하이브리드금속공기전지기술의공정기술로품목단위의무역현황을분석하는데수출품목중기타일차전지품목의무역현황을살펴보았으며, 수출량에비하여수입량이급격히증가하는추세 하이브리드금속공기전지기술의수출현황은 11년 233만달러에서 15년 156만달러수준으로감소하였으며, 수입현황은 11년 817만달러에서 15년 1,151만달러수준으로감소하여무역수지흑자폭이증가 최근 5년 ( 11~ 15년) 간연평균성장률을살펴보면수출금액은 9.5% 로감소하였으며, 수입금액은 9.0% 로증가하여전체무역수지는 14.3% 증가한것으로나타남 무역특화지수는 11년(-0.56) 부터 15년(-0.76) 까지증가한것으로나타나점차수입특화상태로국내기업의수입량이증가하고있는것으로나타났음 [ 하이브리드금속공기전지관련무역현황 ] 구분 ( 단위 : 천 $) CAGR ('11~'15) 수출금액 % 수입금액 % 무역수지 % 무역특화지수 * * 무역특화지수 = ( 상품의총수출액 - 총수입액 )/( 총수출액 + 총수입액 ) 으로산출되며, 지수가 0 인경우비교우위는중간정도이며, 1 이면완전수출특화상태를말함. 지수가 -1 이면완전수입특화상태로수출물량이전혀없을뿐만아니라수입만한다는뜻 * 자료 : 관세청수출입무역통계 HS-Code(6 자리기준 ) 활용 46

51 전략제품현황분석 4. 기술환경분석 가. 기술개발트렌드 세계적으로연구결과수가증가하는추세 최근 5 년간연구결과발표논문이급증하는추세이며, 세계적인석학들이연구및해외유명 학술지에게재되는논문의편수도증가하는추세 * 자료 : Scopus 논문통계분석결과, 2014 년 8 월 [ 리튬공기이차전지관련년도별, 국가별논문출판현황 ] 리튬공기전지에대한연구는미국에서주도적으로진행되고있으며, 유럽쪽에서도많은관ㅅ미을보이고있음 최근에는한국, 중국, 일본에서도많은연구가이루어지고있으며, 그외선진국에서도리튬공기전지에대한보고가계속진행되고있음 전기자동차에적용할경우, 이론적으로한번충전으로 800km 를달릴수있음 2009년 IBM은차세대선도가능한기술로서전기자동차용리튬-공기전지기술을채택하고 Two billion Electric Cars" 시대를열수있는미래기술로육성 특히 Almaden Instirute 2009" 행사에서 500마일 (800km) 을달릴수있는전기자동차용전지로서가볍고고에너지밀도의전지시스템을개발한다는야심찬계획 47

52 에너지저장 하이브리드금속공기전지 * 자료 : Toyota Motors, (2012 년 ) [ 리튬공기이차전지전기자동차에적용할경우장점 ] 대표적인개발사례를살려보면, 미국의 PolyPlus사는리튬공기전지를개발하고있으며, 리튬전도성고체전해질막, 밀봉기술등리튬금속의보호기술에역량을집중 영국 St. Andrews 대학의 Baruce 교수팀은비수계유기전해질에서높은활성을갖는양극산화물촉매를개발하고있으며, STAIR(St. Andrews Air) 로명명된 Proto 전지를발표 일명 STAIR전지에전하를저장하기위하여용량을지금까지 3배로확대 상용에 5년정도의시간을예상하고있음 핵심소재에관한연구위주로이루어지고있음 기존리튬공기전지용양극소재는가볍고, 다고성구조의높은전도도를가지는탄소재료를바탕으로연구가지속됨 다양한종류의탄소재료들을양극재로적용하거나, 주로양극재의나노구조설계또는표면개질등의연구가진행됨 2012년영국의 Peter G. Bruce 교수그룹에서일반적으로사용하는탄소양극재가리튬공기전지충전시발생하는고전압에서는불안정하여부반응을일으키는것으로보고함 48

53 전략제품현황분석 * 자료 : Muhammed M. Ottakam Thotiyl et al. (2013 년 ) [ 탄소전극의안정성에대한리튬공기이차전지관련논문 ] 탄소양극재가리튬공기전지충전시 3.5V 이상에서는방전생성물인 Li 2 O 2 와화학반응을통 해 Li 2 CO 3 를형성하는것을보고함 * 자료 : Zhangquan. Pend et al. (2012년 ) [ Nano-porous gold를사용한리튬공기전지관련논문 ] 리튬공기전지양극재료로서탄소소재의낮은안정성에대한연구보고이후, 비탄소계재료기반의양극재를도입하여높은안정성을바탕으로낮은과전압과우수한수명특성을보임 * 자료 : Muhammed M. Ottakam Thotiyl et al. (2013 년 ) [ Titanium carbide 를사용한리튬공기전지관련논문 ] 49

54 에너지저장 하이브리드금속공기전지 새로운대안으로 2013년 Peter G. Bruce 교수그룹에서충전과전압을획기적으로낮출수있는액상촉매 (soluble catalyst) 를보고하였음 소량의액상촉매로충전과전압 1V이하로낮추는데성공하였으며, 100싸이클동안안정적인충방전이가능하였음 액상촉매개념의도입이후로 2014년 2월에 John B. Goodenough 그룹에서도유사한개념의유기전해질에용해된촉매를이용하여과전압을낮추는데성공하였으며전세계적다양한그룹에서액상촉매에대한연구가활발히진행중 * 자료 : J. B. Goodenough, J. Am.. (2014 년 ) [ FePc 액상촉매를사용한리튬공기전지관련논문 ] 2013 년이전까지는기존의 Fuel Cell 에서가져온고체촉매 ( 예 : Pt, Au, Pd, Ru 등 ) 를사용하 여충전과전압을낮추는연구가지속됨. 하지만반응생성물이고체이기때문에고체촉매가 효과적으로충방전과전압을낮추는데한계가있음 국내에서도전지시스템, 양극, 촉매전해질소재에대한기초연구진행 리튬공기전지의문제점인낮은싸이클특성과충방전시걸리는큰과전압을해결하기위해여러가지촉매를이용하여싸이클특성을향상시키고과전압을줄이는연구가진행되었으며, 그중 2012년한양대선양국교수그룹에서촉매없이잘디자인된셀시스템만으로용량 1000mAh/g으로 100싸이클이넘는특성을보임 50

55 전략제품현황분석 * 자료 : Y.-K. Sun. et al. (2012 년 ) [ 리튬공기전지디자인및시스템연구 ] 리튬공기전지에서는양극을보통넓은표면적과 porous 한구조로인해산소의유입이쉽기때 문에탄소재료를이용하며탄소재료중에서도 2013 년에서울대강기석교수그룹에서제시 한 well-aligned CNT 를리튬공기전지의출력특성및수명특성을개선 * 자료 : K. Kang et al. (2013 년 ) [ well-aligened CNT 를이용한리튬공기전지양극소재 ] 51

56 에너지저장 하이브리드금속공기전지 리튬공기전지의가장큰문제점인높은충전과전압을줄이기위해촉매연구가많이진행되 고있으며, 최근 KAIST 최장욱교수그룹에서 surface charge 를조절하여획기적으로낮은 충전과전압을나타낸연구가있음 * 자료 : J. Choi et al. (2014 년 ) [ Surface charge 를이용한리튬공기전지용촉매특성 ] 최근트랜드에따라액상촉매연구가활발히진행되고있는데국내에서도최근경기대박용준 교수그룹에서액상촉매와 polydopamine 을이용하여낮은충전전압으로리튬공기전지의효 율을극대화시킨연구가있음 * 자료 : Y. J. Park et al. (2014 년 ) [ 리튬공기전지용 Polydopamine 과액상촉매 ] 리튬공기전지의가장큰문제중에하나가방전중생성되는산소의중간생성체인리튬슈퍼옥 사이드에의한전해질분해이고이를극복할수있는새로운전해질시스템의개발이나이에 대한기초연구수준으로진행되고있음 52

57 전략제품현황분석 나. 주요업체별기술개발동향 (1) 해외업체동향 주요선진국 ( 미국, 유럽, 일본등 ) 들이주도, 다양한분야로의응용을위한기술개발집중투자중 [ 주요세계업체의개발현황 ] 구분 개발현황 BASF 아연공기전지개발 : 사업화를위해 ReVolt( 스 ) 와공동연구중 BASF : 차세대전지기술개발을위행 2015 년까지 1 억달러이상투자, 에너지밀도를혁신적으로개선하는금속공기전지의연구개발집중 IBM 전기자동차용리튬공기전지개발프로젝트 ( 배터리 500) 추진 1회충전으로 800km 주행가능한배터리개발 향후 5년내에현재의전지보다 10배이상에너지밀도를향상한전지으시제품개발 2020년에는 제품의 상용화를 목표로 아르곤 연구소 등 다수의 미국 국립 연구소들과 긴밀하게협력 EOS Energy 전력장치및운송수단을위한저비용의충전가능한고에너지공기아연전지를개발수행 전해질개선및전지설계를통한단점보완 2012년 제조 시작, 2013년 전력망 저장 설비를 위해 MW규모의 시스템 확정 예정 ($160/kW) Metallic Power 1995 년부터 Zinc Air Battery 개발 Zinc Air Battery 및 Zinc Recycling System 개발에주력 AER Energy Zinc/Air Battery 개발 Air breathing system 채용 : 세계최고에너지밀도 (335Wh/kg, 1,000Wh/l) evionyx Electric Scooter, Portable Power 용으로개발 Cathode, Anode, Membrane 등부품단위의상용화도병행 도요타 리튬공기전지개발 : NEC 와파나소닉과제휴를통해개발진행중 자동차동력에사용되는차세대전지개발에참여 전지연구부를신설하고대학이나연구소제휴해 2030 년목표로금속과산소의반응을이용한하이브리드금속공기전지등의개발 1,000km 주행가능한전기차용축전지개발 도쿄공업대학 / 고에너지기속연구기구와함께시제품제작, 2016 년부터실용화예정 POWERZIC Zn/Air Battery 개발 : 보고전원없이 Zn/Air 전지만을동력으로사용 중국상하이에생산라인을갖춘미국계회사 e-bike, e-scooter, e-car, e-bus 등전기자동차용전원개발 : 1 충전 130mile(200km) CLEPS CLEPS(Central Laboratory of Electrochemical Power Source) 군수용품을 생산하는 Mussala에기술을이전하여 전기적 충전시스템을 이용한 아연공기전지를 개발하여군용 power pack으로사용함. 53

58 에너지저장 하이브리드금속공기전지 (2) 국내업체동향 선진국대비기술경쟁력이부족하지만, 특수용도로개발중에있음 산발적인지원으로인해, 국내기술수준은선도국 ( 미국 ) 대비미약한수준으로국책사업차원의적극적인지원이시급함 [ 주요국내업체의개발현황 ] 구분 개발현황 미트 아연공기배터리의시제품완성, 한국과미국국방부납품완료 공공교통시장을겨냥한대형아연공기전지의필드테스트진행중 EMW 에너지 아연공기전지 : 미국방부납품을위한테스트진행중 LG 화학 하이브리드금속공기전지를포함한차세대전지관련연구개발에 500 억원이상투자 리튬이온전지이후의배터리기술확보에노력 타깃으로정해연구중인리튬에어배터리의위험성을획기적으로줄이는방안에대한고민중 레오모터스 아연공기연료전지프로토타입제작 : 1kW 급용량을갖춘모델로구슬형태아연을연료로공급하는방식의제품 아연볼을자동공급하고배출, 전해액순환공급장치까지개발 10kW 급아연공기연료전지를개발해소형차에탑재한뒤시험운행할계획 EMW 에너지는아연공기전기개발업체로현재미트와국내에서가장활발한연구개발및활동을진행하고있는것으로나타남 공기극촉매물질로백금을대체할수있는물질을개발하여원가를감소시켰으며, 상기대체물질의구조는 10nm 간격으로백금분자를심는기술임 미트는자체개발한마그네슘금속공기전지배터리를미군의휴대용통신장비로납품하며연구용역및자체연구를통해아연공기전지뿐만아니라마그네슘전지, 알루미늄전지등을개발하고있음. 테플론형태의탄소복합구조의시트를개발함 아연연료전지용아연볼 (20,000/kg), 아연판 (5,000/ 장 ), 알루미늄판 (10,000/ 장 ), 마그네슘판 (10,000/kg) 등의금속음극재는별도로판매하는사업을진행중임. 자체연구를통해공기양극개발판매중임 레오모터스는내부와외부를모두산화가능하게만든아연구슬을개발함. 차량용아연공기전지개발에집중하고있음 54

59 전략제품현황분석 다. 기술인프라현황 전기자동차및에너지저장용중대형전지의국제표준화규격을제정하는 IEC와 ISO에표준안을적극적으로제안하고있으며, 국제표준화로연결가능한정부지원기술개발과제추진및국내외표준규격대응위원회및포럼결성을추진하고있음 전기차용이차전지를녹색기술로지정하였으며, 차세대전지이노베이션센터 (KETI, KIST, KERI) 를구축하여신규개발소재의특성분석을위한인프라를구축을진행함 산업통상자원부에서는 2020년에 ESS(Energy Storage System) 분야에서세계 3대강국으로의도약을목표로세계시장점유율 30% 달성을목표로하는 K-ESS 2020 정책을발표함 2020년까지기술개발에 2조원 ( 정부 : 0.5조원, 민간 : 1.5조원 ), 설비구축에 4.4조원투자 ( 민간 ) 총 6.4조원규모의 R&D 및설비를투자할예정임 자료 : 에너지저장로드맵, 중장기그린로드맵 ( 산업통상자원부 ) [ 리튬공기전지로드맵 ] 55

60 에너지저장 하이브리드금속공기전지 라. 특허동향분석 (1) 연도별출원동향 하이브리드금속공기전지기술의지난 7년 ( 10~ 16) 간출원동향 2) 을살펴보면연도별로출원경향이대체적으로증가하며하이브리드금속공기전지관련기술개발활발 각국가별로살펴보면일본, 미국, 한국의출원경향은지속적으로증가하는경향을보이며, 유럽은 2012년까지증가하다감소하는경향을보이고있음 국가별출원비중을살펴보면일본이 32.4% 로최대출원국으로하이브리드금속공기전지기술을리드하고있는것으로나타났으며, 미국이 30.3%, 한국이 29.7% 로비슷한수준의출원비중을보이고있음 [ 하이브리드금속공기전지분야연도별출원동향 ] 2) 특허출원후 1 년 6 개월이경과하여야공개되는특허제도의특성상실제출원이이루어졌으나아직공개되지않은미공 56 개데이터가존재하여 2015, 2016 년데이터가적게나타나는것에대하여유의해야함

61 전략제품현황분석 (2) 국가별출원현황 한국의출원현황을살펴보면 11년이후출원이증가하는경향을보이고있으며, 외국인의출원이점차증가 외국인의출원증가현상이두드러지는이유를살펴보면하이브리드금속공기전지기술의국내시장에대한외국인의선호도가증가하고있는것으로추정 일본의출원현황은 10년이후점차증가하다 13년에감소하다 14년에증가추세로변화하였으며, 출원인대부분이자국출원으로일본내의기술력이우수한것으로추정 미국의출원현황은 10년이후점차증가하다 14년에감소추세로변화하였으며, 유럽은 12까지출원이증가하다감소하는경향을보임. 미국과유럽의경우출원인대부분이외국인으로미국과유럽은자국인의출원이미미한것으로분석됨 [ 국가별출원현황 ] 57

62 에너지저장 하이브리드금속공기전지 (3) 투입기술및융합성분석 하이브리드금속공기전지분야의투입기술을확인하기위하여특허분류코드인 IPC Code 3) 를통하여살펴본결과하이브리드금속공기전지분야의가장높은 IPC는 H01M 기술분야가 674건으로가장많이차지하고있으며, 이어서 H02J가 10건, C08L가 8건으로다수를차지 이외에 C07C, G01R, C08G, C08J, F16J 등의기술이투입되어있어하이브리드금속공기전지분야에다양한기술이융합되어존재 더불어해당 IPC의특허인용수명을살펴보면 B21D 기술분야의수명이 10년으로가장긴것으로나타났으며, C23C 기술분야는 7년으로가장짧은것으로분석 [ 하이브리드금속공기전지분야상위투입기술 ] IPC 기술내용특허인용수명 (TCT) 4) H01M 화학적에너지전기적에너지직접변환하기위한방법또는수단 8 년 H02J 전력급전또는전력배전을위한방식 ; 전기에너지축적하기위한방식 7 년 C08L 고분자화합물의조성물 8 년 C07C 비환화합물또는탄소환화합물 9 년 G01R 전기변량의측정 ; 자기변량의측정 7 년 C08G 탄소 - 탄소불포화결합만이관여하는반응이외의반응으로얻는고분자화합물 8 년 C08J 마무리 ; 일반적혼합방법 ; 서브클래스 C08B, C08C, C08F, C08G 또는 C08H 에포함되지않는후처리 7 년 F16J 피스톤 ; 실린더 ; 압력용기일반 ; 밀봉장치 10 년 C07F 탄소, 수소, 할로겐, 산소, 질소, 황, 셀레늄또는텔루르이외의원소를함 유하는비환식, 탄소고리또는이종원자고리화합물 7 년 3) 전세계적으로통용되고있는국제특허분류 (IPC: International Patent Classification) 를통해특허정보기술분야에서공지기술을조사할수있으며, 기술및권리정보에용이하게접근가능 4) 특허인용수명지수는후방인용 (Backward Citation) 에기반한특허인용수명의평균, Q1, Q2( 중앙값 ), Q3 에대한통계값을제시함. 특히이와같이산출된 Q2 는 TCT(Technology Cycle Time, 기술순환주기또는기술수명주기 ) 라고부름 58

63 전략제품현황분석 투입기술이가능많은 H01M 분야와융합이높게이루어진기술은 H02J 분야로나타났으며, H01B, B01J 분야와도나타난것으로분석 이외에 B01J 분야와융합된기술은 H01M, C07C, C04B 분야와융합된기술이많은것으로나타났으며, H02J 분야와융합된기술은 H01M, H01B, B21D 기술로분석 [ 하이브리드금속공기전지분야 IPC 기술및융합성 ] (4) 주요출원인분석 세계주요출원인을살펴보면주로일본의출원인이다수의특허를보유하고있는것으로나타났으며, 전자, 자동차분야의출원인이대부분 주요일본출원인을살펴보면 NIPPON TELEGR TELEPH, SHARP, HITACHI 등전기전자기업과 TOYOTA MOTOR CORP 등자동차기업이다수출원을하고있는것으로나타났으며, 이들일본출원인은주로일본본국에출원건수가높은것으로나타남 한국출원인으로는삼성전자와현대자동차, 엘지화학등 3개기업이상위출원인으로나타나하이브리드금속공기전지관련기술을다수보유 가장많은특허를보유하고있는삼성전자의 3극패밀리수가 17건으로국외시장을확보하며출원을하고있는것으로보이며, 프랑스의 ELECTRICITE DE FRANCE도 21건으로다국적시장을확보 59

64 에너지저장 하이브리드금속공기전지 한국기업인삼성전자가확보한특허의피인용지수가 1.08 로가장높게나타나기술의파급성 이높은원천기술을다수보유하고있는것으로분석됨 [ 주요출원인의출원현황 ] 주요 IP 시장국 ( 건수 %) 3 극 주요출원인 국가 한국미국일본유럽 IP 시 장국 종합 패밀리수 ( 건 ) 피인용 지수 주력기술분야 삼성전자 한국 % 36% 12% 4% 한국 리튬공기전지 TOYOTA MOTOR 일본 % 13% 81% 3% 일본 리튬공기전지 NIPPON TELEGR TELEPH 일본 % 0% 100% 0% 일본 리튬공기전지 SHARP 일본 % 24% 76% 0% 일본 0 0 하이브리드금속공기전지및에너지 시스템 현대자동차 한국 % 21% 0% 0% 한국 리튬공기전지 HITACHI 일본 % 18% 79% 0% 일본 0 0 금속공기이차전지 PHINERGY 미국 % 39% 14% 21% 미국 17 0 하이브리드금속공기전지및에너지 시스템 ELECTRICITE DE FRANCE 프랑스 % 24% 24% 24% 한국 금속공기이차전지 BOSCH 독일 % 68% 0% 26% 미국 금속공기이차전지전지설계 엘지화학 한국 % 11% 5% 5% 한국 4 0 리튬공기전지양극, 전해질및분리막 60

65 전략제품현황분석 (5) 국내출원인동향 국내출원인동향을살펴보면대기업은삼성전자의출원건수가가장높게나타났으며, 중소기업에서는레오코터스의출원건수가높게나타남 대기업의주요출원인은삼성전자, 현대자동차, 엘지화학, SK이노베이션등이있으며, 중소기업의주요출원인은레오모터스, EMW ENERGY, 엘라켐등이주요출원인인것으로나타남 기업이외의주요출원인을살펴보면한국에너지기술원, 한국과학기술연구원, 한국전기연구원등연구소 / 공공기관의출원이다수나타났으며, 대학은한양대학교, 울산과학기술원, 한국과학기술원, 인하대학교등의출원이높은것으로분석됨 [ 국내주요출원인의출원현황 ] 61

66 에너지저장 하이브리드금속공기전지 5. 중소기업환경 가. 중소기업경쟁력 하이브리드금속공기전지분야의중소기업경쟁력은기술분류별로차이가있으나음극, 공기극, 분리막기술은중소기업이다수참여하여시장에서의역할이큰분야로나타났음. 음극, 공기극은대부분수입에의존하는경향이있으므로중소기업의원천기술을높혀국산화를이룩해야할부분으로판단됨. 전해질기술은대기업의영향력이높아중소기업이참여하기어려운부분으로나타났음 [ 리튬공기전지분야중소기업현황 ] 기술분류주요기술대기업중소기업 중소기업 참여영역 중소기업 참여정도 음극 유기, 무기계음극보호막기술, 고체분리막기술, 음극요소일체화, 음극부품화를위한밀봉기술, 일체형음극대면적제조기술 삼성전자, 삼성전기, 엘지화학, SK 이노베이션, 현대중공업, 한국로템 미트, EMW 에너지, 엘라켐, 홍림퓨얼셀, 지성중공업 유기, 무기계음극보호막, 음극 표면적처리 공기극 신규촉매합성기술탄소담지체기공 / 표면구조제어기술촉매및탄소담지복합체최적화공기극내구성 / 신뢰성향상기술공기극대형화제조기술 삼성전자, 삼성전기, 엘지화학, 현대중공업, 현대자동차, 한국로템 미트, EMW 에너지, 엠파워, 레오모터스 촉매, 탄소담지복합체, 공기극 전해질 비휘발성, 난연성이온성액체설계및합성기술전해액첨가제기술이온성액체적용복합전해질기술 삼성 SDI, 엘지화학, SK 이노베이션 미트, 코캄, 비츠로셀 전해액첨가제, 이온성액체적용복합전해질 분리막 고이온전도성고분자전해질기술대면적코팅 / 증착제조기술 삼성 SDI, 엘지화학, SK 이노베이션 미트, 코캄, 비츠로셀, 고이온전도성분자전해질 고 중소기업참여정도와점유율은주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 를고려하여 5 단계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 62

67 전략제품현황분석 나. 중소기업기술수요 하이브리드금속공기전지분야의중소기업의기술수요를파악하기위하여중소기업기술수요조사및중소기업청 R&D신청과제 (2013~2015 년 ) 를분석한결과아래표의내용과같은수요들이다수있는것으로분석 하이브리드금속공기전지중소기업음극중복합음극재개발과관련된기술개발에다수수요가있는것으로나타났음. 공기극, 전해질, 분리막은 ESS 차량시동배터리에응용되는부품개발에서중소기업이접근하기에기술장벽이낮으며공급기업이많기때문인것으로분석됨 [ 하이브리드금속공기전지분야과제신청현황및수요조사결과 ] 전략제품기술분류관심기술 음극 리튬이차전지흑연 / 금속 / 그래핀복합계음극재개발전기자동차이차전지용그래핀복합음극재개발리튬이차전지흑연 / 금속 / 그래핀복합계음극재개발 1~3kw급중형발전기대체및다목적형 ESS(Energy Storage System) 개발리튬이차전지용카본코팅집전체개발캐소드기공구조향상을통한 Li/SOCl 2 전지성능향상연구 공기극 ESS 겸용차량시동배터리 1~3kw급중형발전기대체및다목적형 ESS(Energy Storage System) 개발리튬이차전지용카본코팅집전체개발캐소드기공구조향상을통한 Li/SOCl 2 전지성능향상연구 하이브리드하이브리드금속공기전지 전해질 ESS 겸용차량시동배터리 1~3kw 급중형발전기대체및다목적형 ESS(Energy Storage System) 개발 분리막 ESS 겸용차량시동배터리 1~3kw 급중형발전기대체및다목적형 ESS(Energy Storage System) 개발리튬이차전지용고내열성코팅분리막의개발 63

68 에너지저장 하이브리드금속공기전지 다. 중소기업핵심기술 (1) 데이터기반요소기술발굴 하이브리드금속공기전지기술의특허및논문데이터검색을통해도출된유효데이터를대상으로데이터마이닝기법 (Scientometrics 기법 ) 을통해클러스터링된키워드의연관성을바탕으로요소기술후보군을도출 하이브리드금속공기전지기술의특허및논문유효데이터를기반으로키워드클러스터링을통하여 9개의요소기술후보군을도출 제품별 dataset 구축 : 하이브리드금속공기전지기술관련특허 / 논문데이터를추출하여노이즈제거후제품별 dataset 구축 1차클러스터링 : 키워드맵을통한고빈도키워드확인-빈도수 (tf-idf) 5) 가상위 30% 에해당하는키워드를대상으로 1차추출 2차클러스터링 : 1차클러스터링에서추출된고빈도키워드사이에서고연관도키워드를 2차추출 ( 고연관도기준은연관도수치 6) 가 2이상인클러스터로제한 ) 다음그림은키워드간연관네트워크를시각화한것으로, 각키워드를나타내는원과키워드간의연관도를나타내는직선으로구성 각키워드가특허와논문중어느데이터에서도출되었는지원의색으로구분하였으며, 키워드로도출된클러스터는황색음영으로표시 키워드를나타내는원은고빈도의키워드일수록원의크기가크게표현되며, 연관도를나타내는선은키워드사이의연관도수치가높을수록굵게표현 하이브리드금속공기전지기술전략제품의특허 논문유효데이터에대하여키워드클러스터링결과를기반으로요소기술도출 데이터기반의요소기술도출은키워드클러스터링을통해도출된요소기술에대하여전문가의검증및조정을통하여요소기술을도출 5) 빈도수 (tf-idf) : 각키워드가출현되는특허또는논문수를의미 6) 연관도수치 : 두개이상의키워드사이의특허또는논문수를의미 64

69 전략제품현황분석 [ 하이브리드금속공기전지분야키워드클러스터링 ] No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 01 graphene, cathode [ 하이브리드금속공기전지분야주요키워드및관련문헌 ] 4~7 1. Nitrogen-doped graphene nanosheets as cathode materials with excellent electrocatalytic activity for high capacity lithium oxygen batteries 2. Graphene nanosheets as cathode catalysts for lithium-air batteries with an enhanced electrochemical performance 클러스터 02 클러스터 03 assessment 4~7 EVs, HEVs 4~8 1. Advanced batteries for electric vehicles: an assessment of performance, cost, and availability 2. Lithium oxygen batteries limiting factors that affect performance. 1. Development of nickel/metal-hydride batteries for EVs and HEVs 2. Differential capacitance measurements in solvent-free ionic liquids at Hg and C interfaces 클러스터 04 high energy density 4~8 1. Improvement of charge-discharge cycling efficiency of li by low-temperature precycling of Li 2. Electrical energy storage and intercalation chemistry 65

70 에너지저장 하이브리드금속공기전지 No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 05 Lithium/air battery 4 1. A novel high energy density rechargeable lithium/air battery 2. Rechargeable Li2O2 electrode for lithium batteries 3. Selection of oxygen reduction catalysts for rechargeable lithium-air batteries-metal or oxide? 클러스터 06 Polymer Electrolyte 4~7 1. Reaction mechanisms for the limited reversibility of Li-O 2 chemistry in organic carbonate electrolytes 2. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery 3. Oxygen reactions in a non-aqueous Li+ electrolyte 클러스터 07 cathode 4 1. The pursuit of rechargeable nonaqueous lithium-oxygen battery cathodes 2. Cathodes for solid-state lithium oxygen cells: roles of NASICON glass-ceramics 클러스터 08 stability, long cycle life 4~7 1. A Li-air fuel cell with recycle aqueous electrolyte for improved stability 2. Characterization of the lithium-organic electrolyte interface containing inorganic and organic additives by in situ techniques 클러스터 09 interfacial enhancement 4 1. A solid-state, rechargeable, long cycle life lithiumair battery 2. Protective coating of lithium metal electrode for interfacial enhancement with gel polymer electrolyte 66

71 전략제품현황분석 [ 하이브리드금속공기전지분야데이터기반요소기술 ] No 요소기술명키워드 요소기술 01 전기충전식아연공기전지기술 Zinc-air battery 요소기술 02 탄소또는전도성금속으로구성된공기극구조개발 Carbon matrix, Graphene 요소기술 03 첨가제에의한리튬음극안정화 Additives, Anode 요소기술 04 낮은휘발성을가지는소수성전해질의개발 Electrolyte, Ionic liquid 요소기술 05 균일다공성분리막에의한리튬음극안정화 Porous, Anode, Energy density 요소기술 06 금속 - 공기 2 차전지화시스템을위한분리막개발 Solid-state electrolyte 요소기술 07 양극재용망간계산화물촉매개발 Catalyst, Manganese, Cathode 요소기술 08 아연공기전지설계및제조기술 Zinc-air battery 요소기술 09 기계적충전식아연공기전지기술 Zinc-air battery, 67

72 에너지저장 하이브리드금속공기전지 (2) 요소기술도출 산업 시장분석, 기술 ( 특허 ) 분석, 전문가의견, 타부처로드맵, 중소기업기술수요를바탕으로로드맵기획을위하여요소기술도출 요소기술을대상으로전문가를통해기술의범위, 요소기술간중복성등을조정 검토하여최종요소기술명확정 [ 하이브리드금속공기전지분야요소기술도출 ] 분류요소기술출처 첨가제에의한리튬음극안정화 특허 / 논문클러스터링 음극 음극 / 분리막요소일체화 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 탄소또는전도성금속으로구성된공기극구조개발 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 공기극 이온액체와겔공기극을이용한리튬공기전지 고효율, 고내구성의신촉매제및전지의가역성을 향상시키는양극전극개발 기술 / 시장분석, 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 귀금속촉매 /metal tree, 역오팔구조의귀금속 / 금속나노구조체, 팔라듐나노입자 /graphene 기반의신규양극재개발 특허 / 논문클러스터링, 전문가추천 낮은휘발성을가지는소수성전해질의개발 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 전해질 고체무기화합물전해질타입리튬공기전지 고효율질화장치및공정기술 기술 / 시장분석, 기술수요, 타부처로드맵 기술 / 시장분석, 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 수계층을가지는복합전해질의개발 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 분리막금속 - 공기 2 차전지화시스템을위한분리막개발기술수요, 타부처로드맵 68

73 전략제품현황분석 (3) 핵심기술선정 확정된요소기술을대상으로산 학 연전문가로구성된핵심기술선정위원회를통하여중소기업에적합한핵심기술선정 핵심기술선정은기술개발시급성 (10), 기술개발파급성 (10), 단기개발가능성 (10), 중소기업적합성 (10) 을고려하여평가 [ 하이브리드금속공기전지분야핵심기술 ] 분류핵심기술개요 음극 음극 / 분리막요소일체화 음극 / 분리막요소일체화음극부품화를위한밀봉기술일체형음극대면적제조기술 리튬 - 공기전지용고활성공기극소재개발 Binder 및 Catalyst-free 공기극담체소재비탄소계공기극담체소재 공기극 리튬 - 공기전지용고활성공기극표면처리 공기극구조및표면제어 ( 처리 ) 기술 3-D 공기극구조설계및소재개발 전해질 이온성액체함유복합고분자전해질소재개발 고분자매트릭스설계및합성유무기고체전해질복합화이온성액체기반복합고분자전해질 고분자전해질유무기하이브리드소재합성 유무기복합 filler 개발전해질첨가제설계 / 합성 분리막균일다공성분리막에의한리튬음극안정화전기화학적성능개선을위한분리막개발 69

74 에너지저장 하이브리드금속공기전지 6. 기술로드맵기획 가. 하이브리드금속공기전지기술로드맵 최종중소 중견기업기술로드맵은기술 / 시장니즈, 연차별개발계획, 최종목표등을제시함으로 써중소기업의기술개발방향성을제시 70

75 전략제품현황분석 나. 연구개발목표설정 로드맵기획절차는산 학 연전문가로구성된로드맵기획위원회를통해선정된핵심기술을대 상으로기술요구사항, 연차별개발목표, 최종목표를도출 [ 하이브리드금속공기전지분야핵심기술연구목표 ] 분류핵심기술기술요구사항 연차별개발목표 1 차년도 2 차년도 3 차년도 최종목표 음극 음극 / 분리막요소일체화 음극수명 ( 회 ) 150 회 180 회 200 회 내부식성강화기술개발 리튬 - 공기전지용고활성 공기극소재개발 공기극실용량 ( 탄소, 촉매, 바인더무게기준 ) (mah/g) 500 mah/g 600 mah/g 700 mah/g 산소의환원반응을촉진하는촉매를 담지한전극개발 공기극 리튬 - 공기전지용고활성공기극 표면처리 경화층증대정도 (%) 120% 150% 200% 공기극구조및표면제어 ( 처리 ) 이온성액체함유복합고분자전해질 소재개발 전해질이온전도도 (S/cm) S/cm S/cm S/cm 리튬이온의고전도성달성기술개발 전해질 고분자전해질유무기 하이브리드소재합성 에너지밀도 (Wh/kg) 350 Wh/kg 400 Wh/kg 450 Wh/kg 리튬이온의고전도성달성기술개발 분리막 균일다공성분리막에 의한리튬음극안정화 전해질이온전도도 (S/cm) S/cm S/cm S/cm 저온성능강화기술, 넓은전위안전성 확보기술 71

76 에너지저장 하이브리드금속공기전지 다. 핵심기술심층분석 음극, 분리막일체화 기술개발 필요성 막전극접합체의절곡부에서전해질막의균열등에의한손상방지 - 공기의크로스 - 오버및단락이발생방지 음극 / 분리막요소일체화 기술개발전략 음극부품화를위한밀봉기술 일체형음극대면적제조기술 No 명칭출원인 1 금속공기전지셀 FUJIKURA RUBBER 2 아연공기 2 차전지및이의제조방법울산대학교 관련특허현황 3 금속 - 공기전지삼성전자 4 RECHARGEABLE ALKALI METAL-AIR BATTERY HITACHI ZOSEN 5 METAL AIR FUEL CELL 삼성전자 6 금속공기연료전지삼성전자 7 배터리 / 연료전지하이브리드시스템및그운용방법엘지화학 리튬 - 하이브리드금속공기전지 적용가능분야 아연 - 하이브리드금속공기전지 그외소듐, 알루미늄, 철등공기전지음극 관련기업 삼성전자, 엘지화학, 삼성전기, 현대자동차등 KOBE STEEL, HITACHI ZOSEN, TOYOTA MOTOR, HITACHI, ELECTRICITE DE FRANCE, SUMITOMO CHEMICAL 등 72

77 전략제품현황분석 리튬 - 공기전지용고활성공기극소재개발 기술개발 필요성 싸이클특성향상및고에너지밀도의필요성 - 페이퍼형의탄소나노튜브 (CNT) 를공기극으로구성 - 이차전지의양극에사용되는촉매의활성을향상 페이퍼형의탄소나노튜브 (CNT) 를공기극으로구성 기술개발전략 바인더및 Catalyst-free 공기극담체소재 비탄소계공기극담체소재 No 명칭출원인 1 2 ELECTRODE MATERIALS FOR METAL-AIR BATTERIES, FUEL CELLS AND SUPERCAPACITATORS Nano-structured anode compositions for lithium metal and lithium metal-air secondary batteries NANYANG TECHNOLOGICAL UNIV Nanotek Instruments 관련특허현황 3 Single-wall carbon nanotube supercapacitor UNIV DELAWARE 4 카본미소구체및촉매산화물을복합화한리튬 - 공기이차전지용나노복합체및그제조방법 경기대학교 5 산소환원용전극 MATSUSHITA ELECTRIC 6 금속 - 공기전지 HITACHI 리튬 - 하이브리드금속공기전지 적용가능분야 아연 - 하이브리드금속공기전지 그외소듐, 알루미늄, 철등공기전지음극 관련기업 삼성전자, 엘지화학, 삼성전기, 현대자동차등 KOBE STEEL, HITACHI ZOSEN, TOYOTA MOTOR, HITACHI, ELECTRICITE DE FRANCE, SUMITOMO HEAVY, SUMITOMO CHEMICAL 등 73

78 에너지저장 하이브리드금속공기전지 리튬 - 공기전지용고활성공기극표면처리 기술개발 필요성 싸이클특성향상및고에너지밀도의필요성 - 안정성향상 - 충전및방전사이클수명연장 기술개발전략 공기극구조및표면제어 ( 처리 ) 기술 3-D 공기극구조설계및소재개발 No 명칭출원인 1 Metal/oxygen battery with growth promoting structure BOSCH 2 리튬공기전지 (Lithium air battery) 삼성전자 관련특허현황 3 리튬공기전지용복합체, 그제조방법및이를포함하는양극을함유한리튬공기전지 삼성전자 4 공기극, 이를포함하는리튬공기전지, 및공기극제조방법삼성전자 5 리튬공기전지용양극, 이의제조방법및이를포함하는리튬공기전지 삼성 SDI 6 리튬공기전지용전극및이의제조방법고려대학교 리튬 - 하이브리드금속공기전지 적용가능분야 아연 - 하이브리드금속공기전지 그외소듐, 알루미늄, 철등공기전지음극 관련기업 삼성전자, 엘지화학, 삼성전기, 현대자동차등 KOBE STEEL, HITACHI ZOSEN, TOYOTA MOTOR, HITACHI, ELECTRICITE DE FRANCE, SUMITOMO HEAVY, SUMITOMO CHEMICAL 등 74

79 전략제품현황분석 이온성액체함유복합고분자전해질소재개발 기술개발 필요성 고이온전도성전해질특성구현 - 우수한금속이온전도성 - 전지의싸이클특성의향상 고분자매트릭스설계및합성 기술개발전략 유무기고체전해질복합화 이온성액체기반복합고분자전해질 No 명칭출원인 1 리튬 2 차전지용전해액및그전해액을가지는리튬 2 차전지 2 가스전지및가스전지의사용방법 NAGOYA INSTITUTE OF TECHNOLOGY TOYOTA CENTRAL R&D LABS 관련특허현황 3 리튬공기전지 SONY 4 고분자고체전해질, 전기화학디바이스및액츄에이터소자 KURARAY 5 고체전해질재료및이것을이용한금속 - 공기전고체 2 차전지 KOBE STEEL 6 비수계공기 2 차전지 TOYOTA MOTOR 7 비수계금속공기전지 8 비수전해액형이차전지및비수전해액형이차전지용비수전해액 SHISEIDO COMPANY TOYOTA MOTOR 리튬 - 하이브리드금속공기전지 적용가능분야 아연 - 하이브리드금속공기전지 그외소듐, 알루미늄, 철등공기전지음극 관련기업 삼성전자, 엘지화학, 삼성전기, 현대자동차등 KOBE STEEL, HITACHI ZOSEN, TOYOTA MOTOR, HITACHI, ELECTRICITE DE FRANCE, SUMITOMO HEAVY, SUMITOMO CHEMICAL 등 75

80 에너지저장 하이브리드금속공기전지 고분자전해질유무기하이브리드소재합성 기술개발 필요성 에너지효율향상, 충방전과전압방지 - 리튬 - 공기전지의충 - 방전저장용량을향상 - 충 - 방전사이클수명을증가 기술개발전략 유무기복합필러개발 전해질첨가제설계 / 합성 No 명칭출원인 1 Electrolyte solution for lithium air batteries, and lithium air battery SUMITOMO CHEMICAL 2 Zinc-air battery PANISOLAR 관련특허현황 3 4 폴리이미드를코팅한카본을이용한리튬 - 공기이차전지의공기극및그제조방법 용해형촉매인 CsI 가포함된전해질을사용하는리튬 - 공기이차전지 경기대학교 경기대학교 5 전해액및그전해액을이용한금속공기전지 TOYOTA MOTOR 6 리튬공기전지용전해액및리튬공기전지 SUZUKI MOTOR 7 LITHIUM AIR BATTERY SK 이노베이션 리튬 - 하이브리드금속공기전지 적용가능분야 아연 - 하이브리드금속공기전지 그외소듐, 알루미늄, 철등공기전지음극 관련기업 삼성전자, 엘지화학, 삼성전기, 현대자동차등 KOBE STEEL, HITACHI ZOSEN, TOYOTA MOTOR, HITACHI, ELECTRICITE DE FRANCE, SUMITOMO HEAVY, SUMITOMO CHEMICAL, SUZUKI MOTOR 등 76

81 전략제품현황분석 균일다공성분리막에의한리튬음극안정화 기술개발 필요성 고안정성, 안정성향상 - 고체분리막 - 보호막 - 리튬금속일체화기술 - 음극단일부품화및고신뢰성밀봉재적용 기술개발전략 전기화학적성능개선을위한분리막개발 고이온전도성고분자분리막합성기술개발 No 명칭출원인 1 Stable non-aqueous electrolyte promoting ideal reaction process in rechargeable lithium-air batteries TOYOTA MOTOR 2 Ion conducting hybrid membranes INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES ORATION 관련특허현황 3 리튬공기전지및이의제조방법엘지화학 4 금속공기전지 TOYOTA MOTOR 5 음극복합체및리튬공기전지 SUZUKI MOTOR 6 리튬공기이차전지 NIPPON TELEGR TELEPH 리튬 - 하이브리드금속공기전지 적용가능분야 아연 - 하이브리드금속공기전지 그외소듐, 알루미늄, 철등공기전지음극 관련기업 삼성전자, 엘지화학, 삼성전기, 현대자동차등 KOBE STEEL, HITACHI ZOSEN, TOYOTA MOTOR, HITACHI, ELECTRICITE DE FRANCE, SUMITOMO HEAVY, SUMITOMO CHEMICAL 등 77

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83 고용량커패시터 전략제품현황분석

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85 전략제품현황분석 고용량커패시터 정의및범위 순간적으로많은에너지를저장후높은전류를순간적혹은연속적으로공급하는고출력장수명전기에너지저장장치 전극활물질, 전해질, 분리막등핵심원료소재개발기술과 Sheet -Laminating 전극, 슬러리코팅전극등전극개발기술및고출력, 고에너지, 고신뢰성의단셀및모듈, 시스템제작기술등의내용을포함 정부지원정책 EES 시장을선점하여 2020년까지세계시장 30% 점유를목표로기술개발및실증, R&D 인프라구축, 제도적기반구축추진 녹색성장위원회 27대녹색기술고용량커패시터포함고효율이차전지선정 기후변화협약및한국의친환경정책에따라 2020년까지 BAU 기준 30% 탄소배출량감축목표 중소기업시장대응전략 강점 (Strength) 생산설비의전공정자동화로대량생산시스템구축 전지설계분야의고급기술인력육성으로기술경쟁력향상 High-end 제품생산중심의선진국시장점유및확대 국가정책에의한공공시장의활성화및국가지원기회 (Opportunity) 약점 (Weakness) 핵심원자재수입의존도심화, 가격급등으로경쟁력약화 핵심부품 / 소재기초기반, 원천기술취약 대기업및글로벌소재업체가시장에빠르게진입, 시장공급과잉예상위협 (Threat) 전기자동차, 지능형로봇, 전력저장등전지수요가많은첨단산업확대예상 신재생에너지개발로전기에너지를저장할수있는전지수요증가 소재개발중요성인식, 지원확대 국내외적으로산업용의대형전지기술개발투자확대 중국은기술개발투자확대를통해국내산업계를빠르게추격하며중저가제품으로인한가격경쟁력약화초래 일본은핵심기술확보및특허등록으로국내기업의상용화등견제 발열, 발화사고등안전성강화요구 중소기업의시장대응전략 정부의기후변화대응정책으로정기자동차및전력저장시장확대예측 열악한부품, 소재및원천기술력개발을통해전지제조기술선진국과대등한수준으로해외시장진출을위한교두보확보 81

86 에너지저장 고용량커패시터 핵심기술로드맵 82

87 전략제품현황분석 1. 개요 가. 정의및필요성 고용량커패시터는전극과전해질계면에서생성되는전기이중층에전해질이온종의흡착과탈착을통하여전하를고속으로저장할수있는고출력장수명전기에너지저장장치 고용량커패시터는활성탄표면에전하의물리적흡탈착으로에너지를충전또는방전하는원리로순간적으로많은에너지를저장후높은전류를순간적혹은연속적으로공급하는고출력동력원 급속충방전이가능하고높은충방전효율및반영구적인사이클수명특성으로차세대에너지저장장치로각광받고있음 [ 고용량커패시터메카니즘 ] 파리기후협약에따른신기후체제출범에따라한국은 2030년까지온실가스배출량을배출전망대비 37% 감축계획. 온실가스배출의주범인화석연료를절감하고대체친환경에너지를개발하는대안으로회생에너지저장기술을이용한친환경차량의개발이주목받고있으며고용량커패시터를이용한회생에너지시스템을적용할경우약 40% 의에너지효율향상과 CO2 저감을달성할수있음 친환경자동차는수요가점차증가하는추세이며특히고용량커패시터의경우중대형차량인버스, 전철및건설차량을시장이형성되어있으며시장규모는점진적으로성장하여 2020년에는차량의 regeneration 기능을중심으로약 2.5조원의시장을형성할것으로예상됨. 한편친환경차량용의중대형고용량커패시터는시장성장에힘입어수요가증가하고있으나국내중대형고용량커패시터제조업체는주요수요국가인중국의보호무역정책과경쟁과다에의한가격하락에대한압박등의이중고에처해있음 따라서고용량커패시터적용대상인중대형친환경차량의본격적인수요증대와고용량커패시터시장경쟁력의향상을위해서는상기이중고를극복할수있는차별화된고용량커패시터의개발이시급함 83

88 에너지저장 - 고용량커패시터 특히최근에는재생에너지의스마트그리드내확대적용및전력고품질화를위하여재생에너지원의급격한부하변동및불규칙한상태로전력계통연계시에발생하는주파수변동또는전압변동등을보상하기위해서는최적화된에너지저장장치가요구됨. 고용량커패시터는 msec 로응답속도가매우빨라 msec~sec에해당하는단주기출력변동보상에적합하며, 우수한고율충방전특성을보유하고있어 10년이상의사용이가능함 또한무정전전원장치 (UPS) 의에너지저장장치로납축전지가많이사용되어왔으나최근에는여러가지부분에서이점이많은고용량커패시터적용이급증하고있음 따라서순간적으로변동하는전력의품질을일정하게유지하기위해빠른출력에대응할수있는고용량커패시터의최적화된소재, 전극, 셀및모듈기술이필요함 * 출처 : 한국생산기술연구원 [ 재생에너지원의초기전력공급신뢰도향상모식도 ] 84

89 전략제품현황분석 나. 범위 (1) 제품분류관점 고용량커패시터의기본구조는양극과음극으로구성하는전극활물질, 전해질, 절연지, 집전체및외장재로이루어져있음 기본구조는다공성전극 (Electrode), 전해질 (Electrolyte), 집전체 (Current Collector), 격리막 (Separator) 으로이루어져있음 고용량커패시터다공성전극을구성하기위한전극활물질로는대표적으로활성탄이주로사용되고있으며사용되는전극활물질및작동원리에따라분류할수있음 [ 제품분류관점기술범위 ] 전략제품제품분류관점세부기술 활성탄및금속산화물소재 고용량활성탄소재, 저저항활성탄소재, 폴리머전극소재, 나노카본소재, 흑연계전극소재 LTO 계전극소재, LMO 전극소재, RuO 계전극소재, Ni 계전극소재 금속산화물활성탄복합소재, 활성탄도전성고분자복합소재 고용량커패시터 소재부품 전해액 술폰계솔벤트소재, 혼합술폰계솔벤트소재, 스파이롤계염소재, 가스발생억제첨가제, 고전압전해액소재 절연지, 집전체, 외장재 절연지는고온용절연지, 롤투롤용절연지소재 집전체는알루미늄에칭호일, 알로미늄펀칭호일, 알루미늄플레인호일, 구리메쉬호일소재 기타부품소재는코인형케이스제작, 코인형 Cap 제작, 고강도알루미늄 Case 제작 85

90 에너지저장 고용량커패시터 (2) 공급망관점 고용량커패시터관련기술은공급망관점에서고출력이필요한하이브리드자동차뿐만아니라풍력과태양광인버터, 경전철, 산업용로봇, 전기장난감, 카오디오, 무정전전원장치 (UPS), 자동문백업등다양한분야의에너지저장장치응용기술로사용가능 전자-소형디바이스에서무정전전원장치나짧은시간에너지를백업하기위한용도로리모트콘트롤러와같은응용제품에서슈퍼커패시터를배터리대안으로사용 고용량커패시터의빠른충방전특성으로커패시터를대체하여짧은시간의주전원공백을완벽하게상시백업이가능하게함 전기자동차, 풍력터빈등대형장비에서높은에너지를짧은시간에반복적으로충방전할때 50만사이클이상수명과높은파워특성을응용한배터리대체기술로가능 [ 공급망관점기술범위 ] 전략제품공급망관점세부기술 고용량커패시터 전자 - 소형디바이스 전기자동차, 풍력터빈등대형장비 배터리대체 커패시터대체 배터리대체 배터리보호및강화 스마트미터, GSM/GPRS 트랜스미터, SSD, USB 로움직이는오디오시스템, 메모리백업, M2M 무선통신응용기술 모바일폰카메라플래시용량증대, 모바일폰시계백업기술 트럭의배터리팩대체, 비상시자동차문개폐, 에너지하베스팅완충, 풍력터빈작동기술 배터리연장을위한파워제공및신속한충방전을위한마찰보호, 풍력터빈, 태양광, 기타에너지하베스팅완충기술 86

91 전략제품현황분석 2. 산업환경분석 가. 산업특징및구조 (1) 산업의특징 이차전지산업은기술집약적인산업에해당되며, 한국의경우전지제조기술에서는선진국과대등한기술경쟁력을보유하고있음 고용량커패시터산업은기존의리튬이차전지와비교하여에너지밀도는낮지만충방전속도가빠르며수명이반영구적이어서휴대폰, 디지털카메라, 오디오등각종전자제품의메모리백업용으로많이사용되고있으며, 용량증가에따라각종산업용, 조명용기기는물론자동차용으로용도가확대되고있음. 최근에는핸드폰용초소형및칩타입의제품이개발되어시장수요가증가되고있으며, 중대형제품은 UPS, 복사기, 분산발전시스템의전원등으로사용되고있음 고용량커패시터산업은부품, 소재원천기술과셀제조공정이융합된산업으로서전기에너지품질, 활용, 저장효율향상을유발하는저탄소녹색에너지산업의측면에서중요성이커지고있음 후방산업인부품, 소재산업및생산설비산업과동반성장이요구되는산업 [ 고용량커패시터산업분야 ] 87

92 에너지저장 고용량커패시터 (2) 산업의구조 고용량커패시터산업은전지제조부분과후방산업인부품, 소재부분그리고전방산업인 Mobile IT, 전기자동차, 전력저장장치등으로구성 [ 고용량커패시터분야산업구조 ] 후방산업고용량커패시터분야전방산업 전극소재분리막전해질외장재전구체 전지제조공정전지제조설비전지화성장비전지성능평가장비제조자동화 노트북, 스마트폰등 Mobile IT, 디지털카메라, MP3P 등전자제품전기자동차 (HEV, PHEV, EV), 태양광전력저장, 풍력발전전력저장등신재생에너지저장장치 후방산업인부품소재부분의경우전극소재, 전해질, 분리막등이전지의용량, 수명, 출력, 가격등을결정하는핵심인자로작용. 부품, 소재의기술력및생산기반확보가매우중요 * 출처 : 한국생산기술연구원 [ 후방산업의원가비율및국산화정도 ] 88

93 전략제품현황분석 나. 경쟁환경 미국의 Maxwell, 일본의혼다, TDK, 교세라, 대만의영롱테크놀로지, 한국의네스캡등이대표적인제조업체 미국의 Maxwell이세계시장의 20% 를점유할정도로규모가가장크고매년 30% 이상의매출신장을기록 미국과일본업체가세계시장을장악하고있으나중국업체의생산이급증해중국의점유율이증가할전망 현재고용량커패시터의대부분원료는수입에모두의존하고있을뿐만아니라가격도높아산업발전의저해요인으로작용함. 따라서주요소재의국산화로낮은가격의수입대체효과를볼수있는전략이필요한상황 일본의경우토요타, 닛산, 혼다, 히타치등자동차업체들을중심으로독자적으로열처리기술개발을진행하고있으나, 주요자동차업체를제외하고는한국과유사하게 20인이하의소규모업체로시장이형성 고용량커패시터의핵심소재는활물질, 도전재, 바인더, 전해액, 분리막등이있으나전해액을제외한대부분이수입에의존하고있는실정. 현재이들물질의생산특면에서기술적인장벽과정책적인육성이부족하여시장진입을꺼리고있는상황으로, 국내에서핵심소재에대한집중육성에대한지원이필요함 활성탄소재의경우 GS칼텍스가기술개발을완료하여일본의신일본석유와함께 PCT를설립하여양산중에있음 89

94 에너지저장 고용량커패시터 [ 제품분류별경쟁자 ] 구분 경쟁환경 기술분류활성탄및금속산화물소재전해액절연지, 집전체및외장재 주요품목및기술 고용량활성탄소재, 저저항활성탄소재, 폴리머전극소재, 나노카본소재, 흑연계전극소재, LTO 계전극소재, LMO 전극소재, RuO 계전극소재, Ni 계전극소재금속산화물활성탄복합소재, 활성탄도전성고분자 복합소재 술폰계솔벤트소재, 혼합술폰계솔벤트소재, 스파이롤계염소재, 가스발생억제첨가제, 고전압전해액 소재 절연지는고온용절연지, 롤투롤용절연지소재집전체는알루미늄에칭호일, 알로미늄펀칭호일, 알루미늄플레인호일, 구리메쉬호일소재기타부품소재는코인형케이스제작, 코인형 Cap 제작, 고강도알루미늄 Case 제작 해외기업 NEC-TOKIN, Panasonic(P.E.D), ELNA, Hitachi, Seiko SIIM, Kyocera AVX, PowerStor, Cap-XX, Yonron, Kyocera AVX Panasonic(P.E.D), NICHICON, Rubycon, Murata, Advanced Capacitor Technology, Asahi glass, Maxwell, Cooper electronic Technology Panasonic(P.E.D), Shizuki, Meidensha, Rubycon, Power System, Murata, JM Energy, Nissan Diesel, Maxwell, Cooper electronic Technology 국내기업 비나텍, 네스캡, 삼화콘덴서 네스캡, 삼화콘덴서, 에스와이하이테크, 삼영 S&C, LS 산전, 스마트씽크즈, 한국 JCC, 퓨리켐, 비나텍, SK 케미칼 네스캡, 삼화콘덴서, 에스와이하이테크, 삼영 S&C, LS 산전, 스마트씽크즈, 한국 JCC, 퓨리켐, 비나텍, SK 케미칼 90

95 전략제품현황분석 다. 전후방산업환경 고용량커패시터기술은회생에너지효율의향상, 장기신뢰성에의한유지보수경비의절감등국가가추구하고자하는녹색성장을위한그린산업에지대한기술적공헌을할수있음 고용량커패시터기술은높은 Power-assist 기능으로인해 ISG (Idling Stop & Go) 과가속, 등판길에서고출력을요구하는친환경자동차의기술의연기개선에기여할수있음 고전압, 대전력환경을요구하는스마트전력전송분야, 태양광, 풍력발전에서의단주기출력변동에대한스마트분산전원분야에서활용할수있음 * 자료 : 한국과학기술정보연구원 [ 고용량커패시터의시장구조 ] 91

96 에너지저장 고용량커패시터 3. 시장환경분석 가. 세계시장 고용량커패시터시장은 2020년까지연평균성장률 (CAGR) 는 12.2% 를달성할것으로예상됨 2013년에현지제조업체가존재함에도불구하고미국의매출량이전세계시장에 12.5% 로기대에미치지못하였으나유럽과아시아지역이각각 24.0%, 50.4% 로매출량이높음 높은성장세를보일것으로예상했던차량과신재생에너지응용시장분야에서시장관통에한계가있어낮은성장을나타냄 전체시스템의에너지밀도를높이기위해고전압에서사용가능한고용량커패시터기술개발이확대될것 현재 2.7~2.8V 를사용하며향후 3.0V 이상의높은전압을사용할것으로예상 [ 고용량커패시터분야의세계시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) 세계시장 1, , , , , , * 자료 : Analysis of the global ultracapacitor market, FROST SULLIVAN 고용량커패시터는배터리기술을완전히대체할수없기때문에향후시장은배터리의수명특성과출력밀도를향상시키기위해배터리와함께사용하는것이유리함 최근에유럽은마이크로하이브리드자동차, 아시아지역은하이브리드버스에고용량커패시터를적용하였고장기적인이익을위해효과적임 특히 European Commission은 CO 2 배출을줄이기위한환경전략을통해시장에대한성장기회를제공하고있어, 유럽시장에새로운성장추세를보일것으로예상됨 92

97 전략제품현황분석 * 자료 : Analysis of the global ultracapacitor market, FROST SULLIVAN [ 고용량커패시터의평균가격 ] 전극의원자재비용은가격에영향을미치는주요요인 유럽및아시아지역에서의물량증가는가격인하에효과적일것 유럽및북미지역에서규모의경제를실현하게되면가격이급격히감소할것으로예상됨 유럽의 CO 2 배출규제가발효되면서마이크로하이브리드자동차를더많이생산하게될것이며이는가격하락에긍정적인영향을미치게되고북미지역까지영향을미칠수있음 유럽및아시아지역은고용량커패시터에대한강한성장패턴을보여줌 유럽위원회의기후계획에따라 2015년부터 CO2 배출규제가발효됐고새로운규정을충족시키기위해기존차량의거의 90% 가개조되어야함. 마이크로하이브리드전기자동차판매성장과관련하여고용량커패시터시장이동시에성장 아시아지역에서는중국이엄격한내부배출기준에따라생산된대량의하이브리드버스에의해고용량커패시터의매출량이증가할것으로예상되며다른국가들도이에따라증가할것으로예상됨 산업부분은배터리를직접대체하는역할을하기에는제한적이기는하나새로운응용분야에서시장이지속적으로성장할것으로예상됨 운송부분은현재트럭및버스와같은하이브리드중형차량및하이브리드전기자동차에서장치의사용이증가함에따라가장높은수익을낼것으로기대되는분야임. 운송부분은대량생산량을증가시켜고용량커패시터의단가를낮출수있음 93

98 에너지저장 고용량커패시터 * 자료 : Analysis of the global ultracapacitor market, FROST SULLIVAN [ 세계시장매출과시장전망 ] 94

99 전략제품현황분석 * 자료 : Analysis of the global ultracapacitor market, FROST SULLIVAN [ 분야별시장전망 ] 2013년전체시장매출의 45.1% 점유율로미국의 Maxwell이주도했으며일본의 Panasonic 이 19.2% 로점유율이 2위임 미국의 Maxwell은운송시장을견인하며전세계적으로시장지배력을유지할수있었으며파나소닉은소비자전자제품시장에만집중함 * 자료 : Analysis of the global ultracapacitor market, FROST SULLIVAN [ 기업별매출율 ] 95

100 에너지저장 고용량커패시터 나. 국내시장 국내에서는활성탄의높은비표면적을이용한소형고용량커패시터가전자기기의메모리백업용으로상용화되었음. 최근에는전극재료와제조기술발달로고출력특성의중, 대형제품이개발되고있으며효율적인에너지사용을위해높은신뢰성의차세대에너지저장장치로중요시되고있음 현재고용량커패시터시장은가전기기, 수송, 산업용, 에너지분야에서형성하고있으며 2020 년에는 1조 2,518억원에달할것으로전망하고있음. 현재고용량커패시터시장은수송과가정용전자기기분야가가장많은비중을차지함 가정용전자기기분야는 1.7% 씩성장하여 2020년에 2,247억원에달할것으로예상되고있으며, 이분야는모바일폰및스마트폰중심으로시장이계속성장할것으로전망됨 자동차용에주로사용하는수송분야는앞으로도지속적으로성장하여 2020년에 6,818억원에달해연평균약 25% 씩고속성장으로시장을주도할것으로예상함. 수송분야에서는차량용 ISG에탑재되는고용량커패시터가중심이될것으로전망됨. ISC용전력저장장치로는기존의납축전지, 리튬이온전지등과경쟁으로경우에따라서는추가적인시장확대도예상할수있음 산업분야는연평균 14.1% 씩성장하여 2020년에는 1,475억원에달할것으로전망됨. 산업용은주로로봇용전원, 도로의솔라블록이나솔라표지판, 건물의비상구, 포크리프트, 크레인, 골프장카트등에사용되고있으며앞으로는스마트미터분야에서큰시장성장을예상함 에너지분야는연평균 21% 씩성장하여 2020년에는 1,978억원에이를것으로전망함. 신재생에너지의경우에는시간대별로발생되는전력량이다르기때문에그리드의전력품질저하를가져올수있음. 따라서부하평준화장치가필요하며여기에고용량커패시터가사용될수있으며특히풍력발전에있어서는풍력발전기블레이드피치컨트롤용으로의시장확대가기대됨 개발에성공할경우출력당단가 (cost/kw) 를감소할수있고회생에너지에의한연비개선효과가증대될것으로판단됨 특히 heavy-duty 조건의건설차량에서빈번한선회에따른제동시의시간은수초에불과하고, 초고출력의특성을고용량커패시터는타사와비교해서충분한제동에너지를회수효율을가질것이므로충분히독과점을형성을할것으로판단 [ 고용량커패시터분야의국내시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 억원, %) CAGR ('13~'15) 국내시장 8,399 9,074 9,868 10,676 11,552 12, * 자료 : 울트라커패시터최신기술및시장전망, SNE 리서치 96

101 전략제품현황분석 고용량커패시터는일반적으로용량에따라초소형 (<0.1F), 소형 (0.1~1F), 중형 (1~100F), 대형 ( F), 초대형 (<1000F) 의 5개영역으로구분하여사용. 용량별시장동향은기술이발전단계에따라처음에는초소형시장중심으로성장해왔으며, 기술발전과더불어앞으로 10F 이상의중형, 100F 이상의대형및 1000F 이상의초대형시장의급격한성장이예상됨 1000F 이상의초대형시장비중이 50% 를넘을것으로예상되며, 이는초대형상용차및승용차등으로의응용이증가할것으로전망되기때문임 [ 국내고용량커패시터용도별시장분류 ] 구분 ( 단위 : %) CAGR ('11~'15) 초소형 소형 중형 대형 초대형 * 자료 : 울트라커패시터최신기술및시장전망, SNE리서치 [ 국내기업의개발동향 ] 국가회사명형태전압내용 ( 단위 : %) 코칩 ( 주 ) EDLC 2.5 가전ㆍ휴대통신기기 Back-up, UPS 네스캡 EDLC 2.7 가전ㆍ휴대통신기기 Back-up, UPS LS 엠트론 EDLC 2.8 수송ㆍ기계분야의 Power asssit, UPS 셀 비나텍 Pseudo C 2.7 태양광집광판용이동제어전원, UPS 삼화전기 EDLC 2.7 수송ㆍ기계분야의 Power asssit, UPS 스마트싱커즈 EDLC 3.3 휴대통신기기용초소형 Back-up 아모텍 EDLC 2.7 가전ㆍ휴대통신기기 Back-up 소재 캡솔루션 EDLC 3.3 휴대통신기기용초소형 Back-up GS 칼텍스활성탄 - 활성탄양산및 Power Carbon Technology 설립 썬텔활성탄 - 활성탄약품부화, 수계활성탄양산 SK 케미칼전해액 - 200Ton 규모양산, 국내수요전량공급 한국 JCC 집전체 - 알루미늄집전체국산화및국내판매확대 * 자료 : 울트라커패시터최신기술및시장전망, SNE 리서치 97

102 에너지저장 고용량커패시터 다. 무역현황 고용량커패시터기술의공정기술로품목단위의무역현황을분석하는데기타의고정식축전기, 가변식또는조정식축전식, 부분품수출품목에서무역현황을살펴보았으며, 수출량에비하여수입량이감소하는추세 고용량커패시터기술의수출현황은 11년 12억 1,465천달러에서 15년 10억 9,137만달러수준으로감소하였으며, 수입현황은 11년 9억 7,693만달러에서 15년 9억 2,504만달러수준으로감소하여무역수지흑자폭이감소 최근 5년 ( 11~ 15년) 간연평균성장률을살펴보면수출금액은 2.6% 로감소하였으며, 수입금액은 1.4% 로감소하여전체무역수지는 8.5% 증가한것으로나타남 무역특화지수는 11년(0.11) 부터 15년(0.08) 까지감소한것으로나타나점차수출특화상태로국내기업의수출량이감소하고있는것으로나타났음 [ 고용량커패시터관련무역현황 ] 구분 ( 단위 : 천 $) CAGR ('11~'15) 수출금액 1,214,654 1,038,376 1,141,121 1,116,735 1,091, % 수입금액 976, , , , , % 무역수지 237,724 52,771 72, , , % 무역특화지수 * * 무역특화지수 = ( 상품의총수출액 - 총수입액 )/( 총수출액 + 총수입액 ) 으로산출되며, 지수가 0 인경우비교우위는중간정도이며, 1 이면완전수출특화상태를말함. 지수가 -1 이면완전수입특화상태로수출물량이전혀없을뿐만아니라수입만한다는뜻 * 자료 : 관세청수출입무역통계 HS-Code(6 자리기준 ) 활용 98

103 전략제품현황분석 4. 기술환경분석 가. 기술개발트렌드 회생에너지용고용량커패시터기술개발동향 국내고용량커패시터제조사는 LS 엠트론, 네스캡, 비나텍, 비츠로셀, 삼화전기, 삼화콘덴서, 퓨리켐, 코칩, 캡솔루션, 삼신, OR2 등 11개가있으며회생에너지용대형고용량커패시터는 LS 엠트론, 네스캡, 비나텍, 삼화전기및퓨리켐이제조하여출시하고있음 회생에너지용고용량커패시터는대부분 AcN 전해액을사용하는전기이중층커패시터 (EDLC, Electric Double-Layer Capacitor) 를중심으로제품을출시하고있으며, 3.0V는제품의신뢰성문제로소형, 중형 ( 400F) 을중심으로제조하고있으며대형 (1000F ) 은 V 제품을출시하고있음 LS 엠트로사가출시하는 2.7, 2.8, 2.85V-3000F급 EDLC는 AcN 전해액을사용하여제조하고있으며이들제품의 DC저항과 RC time은각각 mΩ과 s를나타냄 네스캡, 비나텍, 삼화전기및퓨리켐은 2.7V-3000F급을유사한공정으로제조하고있으며이들제품들의 DC저항과 RC time은각각 mΩ과 s를나타냄. 고용량커패시터는 1F 이하소형의메모리백업용, 100F이하중형에대한기술개발이중점적으로이뤄졌으며, 100F이상대형제품의최근기술개발이본격적으로이뤄지고있음 국내승용차, 버스및건설차량에회생에너지를목적으로고용량커패시터를개발을한사례는아직없고일부 HEV 및승강기 ( 엘리베이터 ) 용에대한연구개발이진행되었거나진행하고있음 경전철의경우 2010년에한국철기연, 우진산전이대동변전소에고용량커패시터 (Maxwell사의 EDLC) 뱅크를설치하여차량의회생에너지를저장하고출발시 power-assist하는기능으로약 24% 의연비향상을실현하고지하철및역사에설치의사례가증가하고있음 건설차량의경우 2012년에연구과제를통해두산인프라코어가 22톤굴삭기에고용량커패시터를탑재하여약 35% 의연비향상을실현하는것으로보고하였으나, 기타차종에적용사례와상용사례없음 출처 : 매일경제 [ 경전철차량의회생에너지용적용사례 ] 99

104 에너지저장 고용량커패시터 출처 : 한국에너지기술연구원 [ 회생에너지용고용량커패시터를적용한경전철차량의에너지절감율 ] 개발에성공할경우출력당단가 (cost/kw) 를감소할수있고회생에너지에의한연비개선효과가증대될것으로판단됨 특히 heavy-duty 조건의건설차량에서빈번한선회에따른제동시의시간은수초에불과하고, 초고출력의특성을고용량커패시터는타사와비교해서충분한제동에너지를회수효율을가질것이므로충분히독과점을형성을할것으로판단 일본, 독일에서자동차, 전철, 모노레일분야적용을통한에너지효율향상효과검증을완료하였으며, 엘리베이트, 크레인, 굴삭기등의수송, 건설기계분야에서확대적용이진행중임 자동차의경우 2012년에일본 NCC와 Mazda의공동개발에의해 25V-120F, 10.4Wh급의회생에너지용고용량커패시터시스템 (i-eloop) 를개발하여 Masuda의중소형 (1500cc급이하 ) 자동차에탑재함 평균제동시간인 6초에서필요한에너지인 25kJ을전량회수하고약 10% 의연비개선효과를달성함 버스의경우 2002년에일본의 Nissan사가디젤차량에고용량커패시터를탑재한 parallel 방식에서제동시회생과출발, 가속시의파워를보조하는방식으로약 25% 의연비를개선함 독일에서는 년에퀄른, 드레스덴에 Tram, Trolly를활용한다양한기술개발이활용되었으며, 고용량커패시터를통한에너지회생으로약 25% 의화석연료소비절감효과를달성 일본 Komatsu 굴삭기에고용량커패시터회생에너지시스템을적용하여최대 41% 의화석연료소비량절감효과달성및매년 37만톤 CO 2 저감량기대 100

105 전략제품현황분석 출처 : 한국생산기술연구원 [ Masuda 차량의회생에너지용 EDLC 적용사례 ] 출처 : 한국생산기술연구원 [ Nissan 디젤차량의회생에너지용 EDLC 적용사례 ] 출처 : 한국생산기술연구원 [ 포크리프트의회생에너지용 EDLC 적용사례 ] 101

106 에너지저장 고용량커패시터 출처 : 한국생산기술연구원 [ 굴삭기의회생에너지용 EDLC 적용에따른 CO 2 절감효과 ] 스마트그리드고용량커패시터기술개발동향 국내에서생산하는고용량커패시터는대부분이 3.3V 미만의 EDLC 및 Hybrid Capacitor가주류를이루고있으며, 적용용도로서는가전ㆍ휴대통신기기용 backup 및수송ㆍ기계분야의 Power assist용전원으로판매하고있음. 전력계통에대해서는소형 EDLC에의한 UPS의제품생산은이루어지고있어나수백전압이상환경을요구하는스마트그리드환경에서의적합한제품은출시되고있지않음. 그러나향후배기가스배출점감을위한스마트그리드산업이본격화할경우고전압셀의수요가증가할것으로예상되며관련고용량커패시터업체에서의개발이본격화될것으로전망됨 국내스마트그리드분야에서고용량커패시터는스마트전력전송및스마트운송부분에서활용되고있음 스마트전력전송에서안정한전력망을위한 voltage sag 보상용도로활용 전력망의낙뢰또는순간정전에의한 voltage sag 보상을위해적용 스마트운송에서의경전철의회생제동 / 가속에의한부하평준화장치로활용 전철이정차할때발생하는제동에너지를회수하고, 전철의출발시가속에필요한전기에너지로공급하여에너지효율을향상시킴 고효율친환경장비의경우국내장비에대한신뢰도가낮아외국제품에대한수입의존도가높음 고급장비및공정기술을토대로핵심부품생산기지화가가능하며, 중국등신흥개발도상국의경우모방기술은높게향상되었으나, 아직고급부품및소재기술이부족한단계로핵심부품의경쟁력이낮으므로핵심부품생산기지확대조성을통해국제사회수요부품조달및개발된공정장비의수출가능 102

107 전략제품현황분석 국내높은 ICT 기술과의융복합을통해열처리공정장비의기술경쟁력을향상시켜주요열처리기 술의선진국과의경쟁에서우위를점할수있는전략필요 [ 스카트전력전송및운송에서의고용량커패시터활용방안 ] 최근한국철도기술연구원을중심으로구성된콘소시움에서전철차량에고용량커패시터를이용한에너지저장시스템적용후대전철도판암역에설치하여회생에너지저장및사용효율을평가한결과, 도시철도전동차에서소비되는에너지를 10kWh/ 년을볼때약 25%/ 년의에너지효율향상을보고함. 이에따라향후도시철도또는경전철에서고용량커패시터수요가급증할것으로전망됨 출처 : 그린에너지전략로드맵, 에너지기술평가원 [ 스마트전철에서의고용량커패시터시스템운용및회생에너지측정결과 ] 국내의전력저장수요시장은크게전력수용가, 전력회사및분산전원 ( 신재생 ) 분야로구분되며, 지금까지의국내전력저장시장은공급측면에서양수발전소가주류를이루고, 수용가측면에서는주로 UPS를중심으로형성되어왔음. 그러나국제적인저탄소배출정책과스마트그리드의본격적인도입 / 운영으로인하여신재생에너지의전력공급신뢰성향상, 출력불안정해소, 마이크로그리드와직류배전적용에따른신규전력저장필요성등에의해향후고용량커패시터의수요는급증할것으로예상됨 수백 voltage 전압이상의고전압환경을요구하는스마트그리드전송, 스마트그리드분산전원및스마트그리드운송분야에서는고전압특성을위해단위셀의직렬을통한고전압화를구현하여야하나, 통상적인저전압형 EDLC 및 LIC는외부직렬의수가많고이를위한셀간전압밸런싱회로의수가많아 Packaging factor ( 공간활용도 ) 가낮은단점이있음 103

108 에너지저장 고용량커패시터 향후스마트그리드의시대에서는이런단점을보완하기위한고용량커패시터의고전압화가진행될것으로전망되며, LIC 등다양한하이브리드형의고용량커패시터가용도별로특화되면서시장을확대할것으로예상됨 일본의 Shimizu Project 2006년 7월스마트그리드용실증사업실시 재생에너지 source : 태양광 전력공급구성 : Gas engine generator : 90kW + 350kW 고용량커패시터 : 100kW 4sec, NiMH 전지 : 200kW 2hr 출처 : 건설교통 R&D 성과포럼성과집 [ 재생에너지원전력공급구성외형사진 ] - NiMH 전지 : 장주기출력변동의평준화역할 - 고용량커패시터 : 단주기출력변동의평준화역할 출처 : 건설교통 R&D 성과포럼성과집 [ 재생에너지원 + 전력공급구성도 ] 104

109 전략제품현황분석 출처 : 건설교통 R&D 성과포럼성과집 [ 재생에너지원전력발전의불안정출력평준화 ] 일본의 NEDO Project 용도 : 5MV급태양전지 + 1.5MW NaS 전지 + 1.5MW 고용량커패시터시스템 목적 : 친환경적인전력산업발전을위한하이브리드 PV 시스템및전력 Peak를전력회사의발전스케쥴에맞게조절하는용도 출처 : 건설교통 R&D 성과포럼성과집 [ 재생에너지원전력발전의불안정출력평준화 ] MAXWELL ( 미국 ) 100kW급시스템구성실증평가진행 Flywheel, Lead-acid 와의비교평가를통해단주기응답속도가좋은고용량커패시터는전력품질안정화장치로최적의 solution으로평가받음 105

110 에너지저장 고용량커패시터 E.C 특성 1 System 100kW 2 Operational voltage 615V 3 Response Time 0.10s of msec 4 Discharge Time.1~ 60 Sec 5 Roundtrip Effi. 90~97% 6 Cost $/kj $ Set Weight 550Kg 8 Set Volume 816Lit 450kW 슈퍼커패시터 Bridge Power 450kW 고용량커패시터를적용, 에너지비용절약, 시스템의안전성향상, 비상전원보호및전력 품질향상 E.C 특성 1 System 100kW 2 Operational voltage 615V 3 Response Time 0.10s of msec 4 Discharge Time.1~ 60 Sec 5 Roundtrip Effi. 90~97% 6 Cost $/kj $ Set Weight 550Kg 8 Set Volume 816Lit 106

111 전략제품현황분석 나. 주요업체별기술개발동향 (1) 해외업체동향 미국은대학및연구소를중심으로기초연구가진행중이고기업에서는 Linear technology 등을중심으로관련제품을판매 [ 미국의고용량커패시터개발동향 ] 구분 내용 센트럴플로리다대학 UC 리버사이드대학 벤터빌트대학 라이스대학 Maxwell Technologies 리니어테크놀로지 LTC3331 * 자료 : ETRI 경제분석연구실 2014 년 6 월배터리크기의문제를혁신적으로개선할수있는신기술을개발했는데, 전기선내 부에배터리없이전기를직접저장 연구팀은전선자체가슈퍼커패시티가되기위해서필요한두개전극중하나를특수합금물 질 (Nanowhisker) 로피복해감싸는기술개발 기존구리전선외부에슈퍼커패시터를추가장착해개발된것으로전선은전기를전송하는기 능뿐만아니라전기를저장하는기능수행 슈퍼커패시터전선제조기술과전기충전효율을높이는기술개발이관건 2014 년 5 월전기차및휴대용전자제품의배터리수명을늘리며더가볍고더빠른충전을가능케하는슈퍼캐퍼시터배터리개발에성공 고전력밀도를달성하기위해배터리는새로운아키텍처로디자인, 전기화학적표면적, 높은전기전도성, 짧은이온확산경로, 계면무결성보유 밴터빌트대학물질화학연구팀은 2013 년 10 월태양전지가태양광을받는것이불가능한야간에도전력을공급해휴대전화의배터리가수초만에충전을완료할수있는혁신적인슈퍼커패시터의개념을발명 실리콘을사용한태양전지에넣어모바일폰등다양한전자기기에적용가능해반도체소자자체로배터리기능을가짐에따라비용절감을기대 종래의밧데리가수시간에걸쳐충방전하던것을몇분만에가능 2014 년 6 월나노포러스니켈불화물기반새로운플렉시블배터리개발 유연하게구부릴수있어웨어러블디바이스등에적용되며, 슈퍼커패시터의특성으로저장시간이길어전기자동차등다양한분야에사용 샌디에이고에연구및시험양산파트를세우고소형 EDLC 를융릉과기유한공사 ( 대만 ) 에서, 대형을유럽에서각각생산, 버스용도제품화 최근들어중국등슈퍼커패시터제조업체증가로시장점유율하락 2014 년 6 월수확가능한에너지이용시배터리수명을연장하도록최대 50mA 연속출력전류제공하는통합에너지수확솔루션 LTC3331 출시 수확된에너지를이용할수없을때, 벅부스트컨버터에전원공급하며, 수확할수있는소스가없을경우, 자동으로배터리로전환 일본은기업을중심으로고용량커패시터사업을진행하고있음. 일본의기술력은고용량커패시터분야에서타의추종을불허하며, 탄소소재에만국한되지않고리튬등을이용해하이브리드커패시터를선보이고있음 기타개발동향으로는중국광조우시의고용량커패시터로움직이는트램과싱카포르난양공대의자가치료고용량커패시터등이있음 107

112 에너지저장 고용량커패시터 (2) 국내업체동향 국내기업은네스캡, 삼화콘덴서, 비나텍, 코칩등이생산하고있으며 SK 케미칼은전해액을생 산하고있음 [ 국내기업들의고용량커패시터개발동향 ] 구분 내용 네스캡 (Nesscap) 삼화콘덴서 비나텍 퓨리켐 코칩 SK 케미칼 Mexwell Technologies 에이어고용량캐퍼시티부문에서세계시장점유 2 위업체로 2009 년 미국업체에 M&A 됨 고용량커패시터의적용분야는자동차, 버스, 트럭, 전차, 중장비, 풍력발전기, 산업용로봇, 스 마트그리드등임 국내최초로연료전지자동차및버스등국내시험사업에적용됐고, 유럽에서는세계최초로 무가선형노면전차 (Tram) 의에너지원으로사용됨 2013 년 10 월자체개발한 하이브리드커패시터 를공개했는데, 기존고용량커패시터의높은출력밀도와리튬이온전지의높은에너지밀도를가짐 차세대에너지저장장치로이차전지음극소재를자체개발해하이브리드커패시터에적용하고있으며, 기본고용량커패시터대비 2.5 배의용량구현 2013 년 9 월 5,000F 용량의고용량커패시터를개발했는데, 세라믹를이용해전하보유량을 40% 를늘렸고 7,000F 용량의고용량커패시터개발도완료 칩타입고용량커패시터는기존코인타입보다더슬림해지고생산방식도간소화되어휴대폰등소형제품메모리백업용전원으로각광을받고있음 스마트폰에사용되는칩형태고용량커패시터도개발해신뢰성테스트를진행하고있는데, 스마트폰배터리분야수요가늘어날것으로기대 고용량커패시터및연료전지용전극과이온교환막, 과학실습기자재등과에너지저장장치용소재로리튬이차전지및고용량커패시터에적용할수있는소재인금속산화물및복합금속산화물을개발 스마트 TV 와블랙박스등에들어가는 고용량커패시터 를출시했고, 기존제품보다용량이세배 100 만회재충전할수있어에너지효율이높음 2010 년대기전력저감부품고용량커패시터 (EDLC) 를개발했는데, 전자제품컨트롤러에만배터리처럼전력을공급, 소모전력을 20% 낮춤 기존전자제품내에파워컨트롤러 스타트회로 충전회로와함께설치만하면대기전력을최대 0.03W 로줄일수있음 고용량커패시터의충방전반응에필요한이온을이동시키는용액전해액생산 ESS, 전기자동차, 신재생에너지등에사용 핵심기술인전해염 (Salt) 의자체합성및설계기술보유 2014 년고용량커패시터전해액의중국사업진출을타진 * 자료 : ETRI 경제분석연구실 108

113 전략제품현황분석 다. 기술인프라현황 국내고용량커패시터의기술인프라는상당부분이차전지인프라의활용이가능함. 삼성 SDI, LG 화학등기업뿐만아니라, 많은연구소와대학에도기본적인인프라를구축하고있음 [ 생산기술연구원개방형실험실현황 ] 인프라장비구축현황인력연구성과차별화및특화분야 전자부품연구원 셀제조및테스트장비 - 슈퍼커패시터울트라커패시터 전극및셀테스트 한국기계전기전자시험연구원 특성및신뢰성테스트장비 - 슈퍼커패시터울트라커패시터 신뢰성및인증 한국전기연구원 특성및신뢰성테스트장비 - 슈퍼커패시터울트라커패시터 신뢰성및인증 한국에너지기술연구원 특성및신뢰성테스트장비 - 슈퍼커패시터울트라커패시터 신뢰성및인증 연세대학교 특성및신뢰성테스트장비 대학원생 15 명 전극활물질관련 전극및셀테스트 성균관대학교 특성및신뢰성테스트장비 대학원생 15 명 전극활물질관련 전극및셀테스트 UNIST 특성및신뢰성테스트장비 대학원생 20 명 전해질및분리막관련 전극및셀테스트 * 자료 : ETRI 경제분석연구실 109

114 에너지저장 고용량커패시터 라. 특허동향분석 (1) 연도별출원동향 고용량커패시터기술의지난 7년 ( 10~ 16) 간출원동향 7) 을살펴보면연도별로출원경향이증가, 감소를반복하고있어지속적으로고용량커패시터관련기술개발활발 각국가별로살펴보면일본출원경향은증가-감소추세, 미국은차츰증가-감소추세, 유럽은유지하는경향을보이고있으며, 한국은 2011년급격히증가하다차츰감소하는추세를보임 국가별출원비중을살펴보면한국이 38.5%% 로최대출원국으로고용량커패시터기술을선도하고있는것으로나타났으며, 미국이 31.9%, 일본이 24.4% 로비슷한수준의출원비중을보이고있음 [ 고용량커패시터분야연도별출원동향 ] 7) 특허출원후 1 년 6 개월이경과하여야공개되는특허제도의특성상실제출원이이루어졌으나아직공개되지않은미공 개데이터가존재하여 2015, 2016 년데이터가적게나타나는것에대하여유의해야함 110

115 전략제품현황분석 (2) 국가별출원현황 한국의출원현황을살펴보면 11년이후출원이소폭감소하는경향을보이고있으며, 외국인의출원이점차감소 외국인의출원감소현상이두드러지는이유를살펴보면고용량커패시터기술의국내시장에대한외국인의선호도가감소하고있는것으로추정 일본의출원현황은 12년까지증가하다감소추세로변화하였으며, 외국인의출원이내국인보다높은것으로나타남 미국의출원현황은지속적으로유지되고있는추세를보이고있으며, 미국과유럽은외국인이점차감소하는추세를보임 [ 국가별출원현황 ] 111

116 에너지저장 고용량커패시터 (3) 투입기술및융합성분석 고용량커패시터분야의투입기술을확인하기위하여특허분류코드인 IPC Code 8) 를통하여살펴본결과고용량커패시터분야의가장높은 IPC는 H01G 기술분야가 607건으로가장많이차지하고있으며, 이어서 H01M이 156건, H02J가 47건으로다수를차지 이외에 C01B 34건, B60L 10건, H01L 8건순으로기술이투입되어있어고용량커패시터분야에다양한기술이융합되어존재 더불어해당 IPC의특허인용수명을살펴보면 H01G 기술분야의수명이 9년으로가장긴것으로나타났으며, B60W 기술분야는 3년으로가장짧은것으로분석 [ 고용량커패시터분야상위투입기술 ] IPC 기술내용특허인용수명 (TCT) 9) H01G 전기케이블또는전선, 또는광및전기케이블또는전선의결합체의설치 9 년 H01M 화학적에너지전기적에너지직접변환하기위한방법또는수단 8 년 H02J 전력급전또는전력배전을위한방식 ; 전기에너지를축적하기위한방식 7 년 C01B 비금속원소 ; 그화합물 8 년 B60L 전기적추진차량의전기장치또는추진장치 ; 차량용자기적현가또는부양 장치, 차량용전기적제동방식일반 7 년 H01L 반도체장치 ; 다른곳에속하지않는전기적고체장치 6 년 G01R 전기변량의측정 ; 자기변량의측정 7 년 C01G 서브클래스 C01D 또는 C01F 에포함되지않는금속을함유하는화합물 8 년 H02P B60W 전동기, 발전기, 회전변환기의제어또는조정 ; 변압기또는리액터또는초크코일의제어 다른종류또는다른기능의차량용부품의관련제어 ; 하이브리드차량에특별히적합한제어시스템 ; 특정의단일의부품의제어에관한것은아닌, 특정의목적을위한도로상의차량의운전제어시스템 7 년 3 년 8) 전세계적으로통용되고있는국제특허분류 (IPC: International Patent Classification) 를통해특허정보기술분야에서공지기술을조사할수있으며, 기술및권리정보에용이하게접근가능 9) 특허인용수명지수는후방인용 (Backward Citation) 에기반한특허인용수명의평균, Q1, Q2( 중앙값 ), Q3 에대한통계값을제시함. 특히이와같이산출된 Q2 는 TCT(Technology Cycle Time, 기술순환주기또는기술수명주기 ) 라고부름 112

117 전략제품현황분석 투입기술이가능많은 H01G 분야와융합이높게이루어진기술은 H01M 분야로나타났으며, C01B, H02J 분야와도나타융합된기술의건수가높은것으로분석 이외에 H01M 분야와융합된기술은 H01G, C01B, C22C 분야와융합된기술이많은것으로나타났으며, H02J 분야와융합된기술은 H02M, B60L, G06F 기술로분석 [ 고용량커패시터분야 IPC 기술및융합성 ] (4) 주요출원인분석 세계주요출원인을살펴보면주로일본의출원인이다수의특허를보유하고있는것으로나타났으며, 전기전자분야의출원인이대부분 주요일본출원인을살펴보면 DAIHATSU MOTOR, NIPPON CHEMICON, SHIN ETSU CHEM, SEMICONDUCTOR ENERGY LAB 등전기전자분야기업이다수출원을하고있는것으로나타났으며, 이들일본출원인은주로일본본국에출원건수가높은것으로나타남 한국출원인으로는삼성전기, 비나텍, 삼화콘덴스공업, 엘에스엠트론기업이상위출원인으로나타나고용량커패시터관련기술을다수보유 113

118 에너지저장 고용량커패시터 가장많은특허를보유하고있는삼성전기의피인용지수가 2.0 으로다국적으로시장을확보하며 출원을하고있는것으로보이며, 미국기업인 CORNING 은 3 극패밀리수가 24 건으로타주요출 원인에비해다국적시장을확보한것으로분석됨 [ 주요출원인의출원현황 ] 주요출원인 국가 주요 IP시장국 ( 건수 %) 한국미국일본유럽 IP시장국종합 3극패밀리수 ( 건 ) 피인용지수 주력기술분야 삼성전기 한국 % 31% 26% 0% 한국 전기이중층커패시터 비나텍 한국 % 0% 0% 0% 한국 태양광하이브리드초고용량커패시터 DAIHATSU MOTOR 일본 % 8% 85% 8% 일본 4 0 중대용량커패시터 CORNING 미국 % 17% 58% 8% 일본 고온용가스켓 NIPPON CHEMICON 일본 % 10% 60% 15% 일본 알루미늄전해질초고용량커패시터 삼화콘덴서공업 한국 % 15% 0% 0% 한국 전기이중층커패시터 엘에스엠트론 한국 % 5% 5% 5% 한국 전기이중층커패시터 SHIN ETSU CHEM 일본 % 26% 63% 11% 일본 절연지 ( 분리막 ) SEMICONDUCTOR ENERGY LAB 일본 % 88% 6% 0% 미국 전기이중층커패시터 TAIYO YUDEN 일본 % 21% 71% 0% 일본 0 0 태양광하이브리드초고용량커패시터 114

119 전략제품현황분석 (5) 국내출원인동향 국내출원인동향을살펴보면대기업은삼성전기의출원건수가가장높게나타났으며, 중소기업에서는비나텍의출원건수가높게나타남 대기업의주요출원인은삼성전기, 엘에스엠트론, 엘지화학, 현대자동차등이있으며, 중소기업의주요출원인은비나텍, 삼화콘덴서공업, 삼화전기, 아모텍등이주요출원인인것으로나타남 기업이외의주요출원인을살펴보면한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국전기연구원등연구소 / 공공기관의출원이다수나타났으며, 대학은한국과학기술원, 충북대학교, 연세대학교, 인하대학교등의출원이높은것으로분석됨 [ 국내주요출원인의출원현황 ] 115

120 에너지저장 고용량커패시터 5. 중소기업환경 가. 중소기업경쟁력 고용량커패시터분야의중소기업경쟁력은기술분류별로차이가있으나소 중형고용량커패시터기 술은중소기업이다수참여하여시장에서의역할이큰분야로나타났으나, 적용분야별로대형고용량 커패시터는대부분대기업에서기술개발이이루어지며, 중소기업의경쟁력이낮은것으로분석됨 [ 고용량커패시터분야중소기업현황 ] 기술분류주요기술대기업중소기업 중소기업 참여영역 중소기업 참여정도 소 중형고용량커패시터 초소형, 소형, 중형제품양산, PAS 제품, LIC, 초소형등에응용가능한제품군양산기술, 이온성액체전해액양산, 소형, 박형제품및모듈개발기술 삼성 SDI, LG 화학, 포스코, GS 칼텍스, LS 산전, SK 케미칼 네스캡, 삼화콘덴서, 코칩, 비나텍, 퓨리켐 Chip 형초고용량커패시터, Flat 형초고용량커패시터, 메모리백업용초소형코인형리튬이온커패시터 대형고용량커패시터 전기화학적으로안정된고용량활물질개발, 대용량분극성전극, 고도전율전해액, 고정밀전극배치기술, 신규봉지재료, 고정밀모듈제조기술 삼성 SDI, LG 화학, 포스코, GS 칼텍스, LS 산전, SK 케미칼 네스캡, 삼화콘덴서, 에스와이하이테크, 삼영 S&C, 스마트씽크즈, 한국 JCC, 퓨리켐, 비나텍, 원통형고출력초고용량커패시터, 자동차용리튬이온커패시터, 에너지저장용리튬이온커패시터, 고용량나노하이브리드커패시터 * 중소기업참여정도와점유율은주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 를고려하여 5 단계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 116

121 전략제품현황분석 나. 중소기업기술수요 고용량커패시터분야의중소기업의기술수요를파악하기위하여중소기업기술수요조사및중소기업청 R&D신청과제 (2013~2015 년 ) 를분석한결과아래표의내용과같은수요들이다수있는것으로분석 고용량커패시터분야중소기업은최근에초고용량, 고신뢰성, 대형화등과관련된기술과관련된기술개발에다수수요가있는것으로나타났으며, 이는최근기술트렌드인고신뢰성, 초고용량에너지저장에대응하는기술등에관심이높아지고있는추세를반영한것으로분석됨 [ 고용량커패시터분야과제신청현황및수요조사결과 ] 전략제품기술분류관심기술 고용량커패시터 소 중형고용량커패시터 경량화, 고출력초고용량커패시터개발고신뢰성초고용량커패시터개발 ESS( 에너지저장장치 ) 용커패시터모듈개발 24V 54F 전기이중층케페시터를이용한 HYBRID 엘리베이터시스템슈퍼커패시터패키징부품최적화개발직물나노융합전극을이용한웨어러블전자기기용수퍼커패시터개발소형 IT 지능형단말기용초박형 Chip 형 EDLC 개발포터블지능형 IT 기기분산전원용, 고전압세라믹슈퍼커패시터및제조기술개발친환경, 원가절감형 Lithium Ion Capacitor 전극개발 CCTV 감시카메라의비상전원용그래핀기반슈퍼커패시터개발무정전 CCTV 모듈개발을위한상용화 3 차원그래핀슈퍼커패시터공정및개발하이브리드슈퍼커패시터용탄소나노섬유와금속산화물복합소재합성기술연구 대형고용량커패시터 스마트기기의대기전력제로화및안정전류공급용고에너지 (10Wh/kg) 고출력 (20kW/kg) 3V 급 Hybrid Capacitor 개발고신뢰성초고용량커패시터개발전기에너지저장및전기자동차용리튬이온커패시터제조기술개발부하에이징이필요없는초고용량커패시터공정개발하이브리드슈퍼커패시터용탄소나노섬유와금속산화물복합소재합성기술연구 117

122 에너지저장 고용량커패시터 다. 중소기업핵심기술 (1) 데이터기반요소기술발굴 고용량커패시터기술의특허및논문데이터검색을통해도출된유효데이터를대상으로데이터마이닝기법 (Scientometrics 기법 ) 을통해클러스터링된키워드의연관성을바탕으로요소기술후보군을도출 고용량커패시터기술의특허및논문유효데이터를기반으로키워드클러스터링을통하여 9개의요소기술후보군을도출 제품별 dataset 구축 : 고용량커패시터기술관련특허 / 논문데이터를추출하여노이즈제거후제품별 dataset 구축 1차클러스터링 : 키워드맵을통한고빈도키워드확인-빈도수 (tf-idf) 10) 가상위 30% 에해당하는키워드를대상으로 1차추출 2차클러스터링 : 1차클러스터링에서추출된고빈도키워드사이에서고연관도키워드를 2차추출 ( 고연관도기준은연관도수치 11) 가 2이상인클러스터로제한 ) 다음그림은키워드간연관네트워크를시각화한것으로, 각키워드를나타내는원과키워드간의연관도를나타내는직선으로구성 각키워드가특허와논문중어느데이터에서도출되었는지원의색으로구분하였으며, 키워드로도출된클러스터는황색음영으로표시 키워드를나타내는원은고빈도의키워드일수록원의크기가크게표현되며, 연관도를나타내는선은키워드사이의연관도수치가높을수록굵게표현 고용량커패시터기술전략제품의특허 논문유효데이터에대하여키워드클러스터링결과를기반으로요소기술도출 데이터기반의요소기술도출은키워드클러스터링을통해도출된요소기술에대하여전문가의검증및조정을통하여요소기술을도출 10) 빈도수 (tf-idf) : 각키워드가출현되는특허또는논문수를의미 11) 연관도수치 : 두개이상의키워드사이의특허또는논문수를의미 118

123 전략제품현황분석 [ 고용량커패시터분야키워드클러스터링 ] [ 고용량커패시터분야주요키워드및관련문헌 ] No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 01 graphene, active material 4~7 1. A high rate, high capacity and long life (LiMn2O4+ AC)/Li4Ti5O12 hybrid battery supercapacitor 2. Power management of an ultracapacitor /battery hybris energy storge system in an HEV 3. Influence of control strategies on battery/supercapacitor hybrid energy storage systems for traction applications 클러스터 02 micro, hybrid capacitor 5~7 1. Hybrid power supplies: a capacitor assisted battery 2. Active power sharing in hybrid battery/capacitor power sources 클러스터 03 ultracapacitor 4~8 1. Batteries and ultracapacitors for electric, hybrid, and fuel cell vehicles 2. Performance optimization of a battery capacitor hybrid system 3. Optimal battery/ultracapacitor storage combination 119

124 에너지저장 고용량커패시터 No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 04 electrode, high density 4~8 1. Battery squeezing under low-power pulsed loads 2. The parallel combination of a valve regulated lead acid cell and supercapacitor for use as a hybrid vehicle peak power buffer 클러스터 05 nano structure, electrode 4 1. A combined ultracapacitor lead acid battery energy storage system for mild hybrid electric vehicles 2. Ultracapacitor/battery hybrid for solar energy storage 클러스터 06 automotive, HEVs, EV 4~7 1. Ultracapacitors for automotive applications 2. Development of ultracapacitor modules for 42-V automotive electrical systems 클러스터 07 pore, active carbon 4 1. High energy high power pulses plus battery for long term applications 2. Fabrication and characterization of a LiCoO2 battery supercapacitor combination for a high-pulse power system 클러스터 08 Simulation testing 4~7 1. Simulation and field-testing of hybrid ultracapacitor/battery energy storage systems for electric and hybridelectric transit vehicles 2. Performance optimization of a battery capacitor hybrid system 클러스터 09 Power and life extension 4 1. Hybrid electric vehicles: architecture and motor drives 2. Power and life extension of battery ultracapacitor hybrids 3. An ultracapacitor circuit for reducing sulfation in lead acid batteries for mild hybrid electric vehicles 120

125 전략제품현황분석 [ 고용량커패시터분야데이터기반요소기술 ] No 요소기술명키워드 요소기술 01 그래핀전극활물질을적용한고에너지밀도대칭형전기이중층커패시터 graphene, active material 요소기술 02 마이크로하이브리드용고출력초고용량커패시터개발 micro, hybrid 요소기술 03 슈퍼커패시터용고전압전해액개발 high voltage, electrolyte 요소기술 04 슈퍼커패시터용분리막개발 ultracapacitor 요소기술 05 슈퍼커패시터용고성능전극개발 electrode, high density 요소기술 06 슈퍼커패시터용전해액첨가제개발 electrolyte additives 요소기술 07 슈퍼커패시터용나노기반전극소재개발 nano structure, electrode 요소기술 08 활성탄기공제어기술 pore, active carbon 121

126 에너지저장 고용량커패시터 (2) 요소기술도출 산업 시장분석, 기술 ( 특허 ) 분석, 전문가의견, 타부처로드맵, 중소기업기술수요를바탕으로로드맵기획을위하여요소기술도출 요소기술을대상으로전문가를통해기술의범위, 요소기술간중복성등을조정 검토하여최종요소기술명확정 [ 고용량커패시터분야요소기술도출 ] 분류요소기술출처 초고용량커패시터 그래핀전극활물질을적용한고에너지밀도대칭형전기이중층커패시터개발마이크로하이브리드용고출력초고용량커패시터개발유기계전해질기반탄소계슬러리전극소재 특허 / 논문클러스터링 / 전문가추천 기술 / 시장분석, 기술수요, 특허 / 논문클러스터링, 전문가추천 기술 / 시장분석, 전문가추천 슬러리전극충방전용량보존기술 기술 / 시장분석, 기술수요, 전문가추천 슈퍼커패시터용나노기반전극소재개발 기술 / 시장분석, 기술수요, 전문가추천 슈퍼커패시터용고전압전해액개발 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 / 전문가추천 전해액 슈퍼커패시터용전해액첨가제개발 기술 / 시장분석, 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 수퍼커패시터전해질첨가제개발을위한시뮬레이션기술 특허 / 논문클러스터링 외부습기나또는증기상의물질차단용소재 기술 / 시장분석, 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 절연지, 집전체및외장재 박막가공성, 경량재질및내부식성집전체 기술수요, 타부처로드맵 전해질에대한내약품성및경량재료 기술 / 시장분석, 기술수요 122

127 전략제품현황분석 (3) 핵심기술선정 확정된요소기술을대상으로산 학 연전문가로구성된핵심기술선정위원회를통하여중소기업에적합한핵심기술선정 핵심기술선정은기술개발시급성 (10), 기술개발파급성 (10), 단기개발가능성 (10), 중소기업적합성 (10) 을고려하여평가 [ 고용량커패시터분야핵심기술 ] 분류핵심기술개요 초고용량커패시터 전기이중층커패시터 마이크로하이브리드용초고용량 커패시터개발 그래핀전극활물질을적용한고에너지밀도대칭형 전기이중층커패시터 마이크로하이브리드용고출력초고용량커패시터개발 슈퍼커패시터용나노기반전극소재개발 고용량특성의슬러리전극개발을위한나노스케일다원계전극소재구조설계 전해액 전해액개발 슈퍼커패시터용고전압전해액개발 전해액첨가제개발 슈퍼커패시터용전해액첨가제개발 절연지, 집전체및외장재 집전체제조기술 고강도, 고연신, 고접착성박막알루미늄집전체개발박막가공성, 경량재질및내부식성집전체 123

128 에너지저장 고용량커패시터 6. 기술로드맵기획 가. 고용량커패시터기술로드맵 최종중소 중견기업기술로드맵은기술 / 시장니즈, 연차별개발계획, 최종목표등을제시함으로 써중소기업의기술개발방향성을제시 124

129 전략제품현황분석 나. 연구개발목표설정 로드맵기획절차는산 학 연전문가로구성된로드맵기획위원회를통해선정된핵심기술을대 상으로기술요구사항, 연차별개발목표, 최종목표를도출 [ 고용량커패시터분야핵심기술연구목표 ] 분류핵심기술기술요구사항 연차별개발목표 1 차년도 2 차년도 3 차년도 최종목표 초고용량커패시터 전기이중층커패시터 축전용량 Cell 140 F/g 170 F/g 200 F/g 그래핀적용고에너지밀도고용량커패시터개발 마이크로하이브리드용 초고용량커패시터개발 비축전용량 (F/g) 75 F/g 80 F/g 85 F/g 초고용량커패시터적용 활성탄복합소재개발 슈퍼커패시터용나노기반전극소재개발 축전용량 (F/g) 30 F/g 32 F/g 35 F/g 고용량활성탄소재 전해액 전해액개발 저항 (Ω/g) 50 Ω/g 45 Ω/g 40 Ω/g 저온성능향상이가능한혼합전해액소재개발 전해액첨가제개발 Swelling(%) 20 % 15 % 10 % 가스발생억제첨가제개발 절연지, 집전체, 외장재 집전체제조기술누설전류 (ma) 60 ma 55 ma 50 ma 고전압성능이우수하고고순도알루미늄호일제조 125

130

131 전략제품현황분석 전 레독스플로우배터리

132

133 전략제품현황분석 레독스플로우배터리 정의및범위 레독스플로우배터리는기존이차전지와는달리전해액내의활물질이산화-환원되어충방전되는시스템으로전기에너지를전해액의화학적에너지로저장시키는전기화학적축전장치 레독스플로우배터리의주요구성은카본및금속계전극소재, 유기및무기전해액, 분리막, 분리판등으로구성되며관련기술로서전지의적층 (Stacking) 기술을포함함. 2만싸이클및 20년이상의안정된수명특성을갖고있고출력과에너지밀도를독립적으로설계할수있어 4시간이상의출력지속시간을갖는장주기대용량전력저장용이차전지 정부지원정책 정부의그린에너지기술로드맵의장주기신재생에너지및전력저장대응의전략품목 친환경, 중대형전력저장용안전성및장수명이차전지개발필요 범정부적으로 2011 년부터대형에너지저장시스템핵심기술 ( 원천소재 ) 개발 중소기업시장대응전략 강점 (Strength) 약점 (Weakness) 정부의신재생에너지보급정책과기후변화협약에따른 CO 2 저감요구에대응하기위한대용량에너지저장기술및시장성장예상 이차전지용소재및스택제조기술과분석, 성능평가보유 전력시장다변화와신재생에너지연계운전기술확보 국내시장미성숙과소재및핵심부품등은수입에의존 선진국보다낮은소재원천기술및실용화기술과짧은 R&D 기간 국내기술및시장미성숙과설치운용기술경험부족 기회 (Opportunity) 위협 (Threat) 대용량전력저장용전지시장확대예상 부하평준화및관리, 고부가가치공장의 UPS용등으로고효율전력시장확대예상 고에너지및고효율전지기술개발미비 선진국에의한기술위주의시장독점우려 기술선진국과차별화되는기술개발전략부족 일본의경우일부전지에대한전력저장용전지의표준화완료 후발주자의기술추격및시장선점화우려 중소기업의시장대응전략 중소기업이제조하는레독스플로우배터리및소재성능과품질향상에따라기술및가격경쟁력을통한글로벌시장진출가능 소재원천기술및실용화기술을극복하기위한장기적안목으로시장접근필요 129

134 에너지저장 레독스플로우배터리 핵심기술로드맵 130

135 전략제품현황분석 1. 개요 가. 정의및필요성 레독스플로우배터리 (Redox Flow Battery) 는전극의활물질이기존의전지처럼고체가아닌용액상태이며산화수가다른양극과음극전해질로구성된전지 전지의기전력은양극액과음극액을구성하고있는레독스쌍 (Redox Couple) 의표준전극전위의차이에의해결정되며충전시에는양극에는산화반응이, 음극에서는환원반응이일어나게되고방전시에는반대반응이발생 레독스쌍의활물질이용해된전해액이펌프에의하여공급되고양극과음극의전극표면에서산화환원반응속도가빠르게일어나며산화환원전위차에의해에너지밀도가영향을받음 레독스쌍은여러가지산화환원활물질의쌍이있으며대표적으로상용화단계에있는레독스쌍은바나듐 (V) 계, Zn/Br계등이있음 [ 바나듐계레독스플로우배터리 ] 기존이차전지가산화 / 환원반응을통해전기에너지를전극의활물질에저장하는것과달리레독스플로우배터리는전극에서발생되는산화 / 환원 (redox) 반응을통해전해질에전기에너지를장기간저장할수있는대용량전력저장이차전지 레독스플로우배터리는장주기 ESS(Energy Storage System) 용으로연구개발되고있으며시장및응용처를보다확대하기위해서는 MW급대용량시스템구축시바나듐계레독스플로우배터리스택및소재부품의대면적화, 박형화, 저가화가요구되고있음 131

136 에너지저장 레독스플로우배터리 * 출처 : 한국생산기술연구원 [ 전력저장전지의주요적용범위 ] 나트륨-황전지 (Na-S) 는기술적완성도가한계에이르렀고특허창출의기회기적으며고온에서작동하는관계로화재등의안전성문제와기술적인장벽이높고관련부품산업의파급효과가적음 레독스플로우배터리는출력밀도및에너지밀도를향상시킬수있는혁신적인기회와관련소재및부품개발을통하여기술적, 경제적파급효과가큼 에너지밀도와출력밀도향상으로가격절감및대형전력저장전지시장선점기회창출가능 * 출처 : 한국생산기술연구원 [ 이차전지의성능및특성비교 ] 132

137 전략제품현황분석 나. 범위 (1) 제품분류관점 레독스플로우배터리를구성하는전극, 흐름전해질, 이온교환막으로분류할수있음 전극은고내식성카본복합재전극개발기술, 고활성촉매전극개발기술등을포함 흐름전해질은고농도바나듐계레독스커플, 고전압레독스커플, Zn/Ce 계레독스커플, Zn/Br 계레독스커플, V/Br 계레독스커플등을포함 이온교환막은고강도, 고내식성폴리머이온교환막을포함 [ 제품분류관점기술범위 ] 전략제품제품분류관점세부기술 전극 고내식성카본복합재전극개발기술 고활성촉매전극개발기술 레독스플로우배터리 흐름전해질 고농도바나듐계레독스커플 2V 이상고전압레독스커플 Zn/Ce 계레독스커플, Zn/Br 계레독스커플, V/Br 계레독스커플 이온교환막 고강도, 고내식성폴리머이온교환막 이온전도성이향상된이온교환막 133

138 에너지저장 레독스플로우배터리 (2) 공급망관점 레독스플로우배터리는레독스플로우배터리용고전압신규레독스쌍및전해액, 고내구성분리막, 고내구성전극및분리판으로분류할수있음 레독스플로우배터리용고전압신규레독스쌍및전해액관련기술은전이금속계, 란탄나이드계, 금속-리간드계레독스쌍개발, 레독스쌍을용해시킬수있는용매및첨가제개발기술등이포함됨 레독스플로우배터리용고내구성분리막개발기술은이온전도도가큰작용기를도입하는기술, 기계적강도및전도성을향상시키는기술, 높은수소이온전도성을갖게하는기술등을포함함 래독스플로우전지용고내구성전극및분리판개발기술은전기전도도및고내구성전기화학적촉매전극및분리판개발, 고활성촉매전극개발을포함함 [ 공급망관점기술범위 ] 전략제품공급망관점세부기술 레독스플로우배터리 레독스플로우배터리용고전압신규레독스쌍및전해액 레독스플로우배터리용고내구성분리막 전이금속계, 란탄나이드계, 금속-리간드계레독스쌍개발을위해저가격이면서전위차가큰전이금속을중심금속으로도입 (Zn, Ni, Mn 등 ) 기술 금속-리간드계레독스쌍개발을위하여고전압레독스쌍과전압상승을위한 electron withdrawing function기의도입 고농도로레독스쌍을용해시킬수있는용매및첨가제개발기술로써강산 (strong acid) 을이용하는수용성시스템과유기용매를이용하는비수용성시스템기술 나피온 (Nafion) 을비롯한불소계분리막을대체하는저가격의탄화수소 (Hydrocarbon) 계분리막개발 PE(polyethylene), PP(polypropylene) 등의저가격폴리올레핀 (Polyolefin) 계매트릭스에이온전도도가큰작용기를도입하는기술 유 / 무기분리막개발 기계적강도및전도성을향상시키는기술 가교형형태의저가격, 내강산성분리막개발, 높은수소이온전도성을갖게하는기술 래독스플로우전지용고내구성전극및분리판 고전기전도도및고내구성전기화학적촉매전극및분리판개발 고활성촉매전극개발 저가격, 유연성, 경량특성을갖는분리판개발을위해금속기판에전기도금방식에의한개발 134

139 전략제품현황분석 2. 산업환경분석 가. 산업특징및구조 (1) 산업의특징 대용량전력저장산업으로써전력인프라사업은국가를지탱하는최상위산업중의하나이며기간산업으로서의공공성중시 에너지저장시스템 (ESS) 으로써대용량전력저장산업은수요자, 공급자및관리자등다양한이해관계자들이에너지저장시스템 (ESS) 적용필요성에대한공감대형성이시장확대를위한선결조건 대용량전력저장산업은현재개척해나가야하는미래형산업으로써적용될수있는분야로는가정용전력저장시스템, 산업용 / 상업용중형전력저장시스템, 발전소및변전소에설치되는초대용량의전력저장시스템등이있으며향후에는풍력발전, 태양광발전등과같은신재생에너지분야로의확대가예상 특히, 신재생에너지의주파수변동에따른전력품질의저하로인하여현재의풍력발전과태양광발전에서발생하는전력을계통전력에직접연계할경우고품위의전력을요구하는산업시설이나대규모단지에서는엄청난피해가예상되기때문에이를보상해주기위한레독스플로우배터리와같은대형전력저장시스템의필요성이부각 현재레독스플로우배터리에대한국내산업기반은거의전무한상태로볼수있으며전반적으로 suppy chain은매우취약한수준으로가장중요한품목인레독스쌍을비롯한전지소재및부품의개발은시작단계 전극및분리판, 분리막등은이차전지와연료전지개발에서축적된기술이풍부함으로용도에맞는 modification을하면적용가능한수준이고이차전지및연료전지소재와시스템업체의경험을활용하여레독스플로우배터리까지용도를확대할수있음 이차전지와연료전지관련중소기업소재및부품업체로서는새로운부품소재수요에따른사업적위험감소를통해개발함으로써제품의경쟁력제고에기여하고사업아이템확장을통해새로운비즈니스모델창출 원천기술과차별이가능한레독스플로우배터리개발은소재부터시작하여시스템까지하나의패키지산업으로써소재의개발이성공하면건설또는중공업관련업체의참여를통한시설설비산업으로영역확장가능 전력운용에필연적으로발생하는잉여전력의저장으로 load leveling 효과와전력소요의피크타임 (peak time) 에대응함으로써에너지의효율적사용및에너지예비율의부담경감 전력저장시스템에의한전력수요의공급조절이가능하고전력사용료의절감및 CO 2 배출절감효과가기대되며간헐적인에너지원인신재생에너지 ( 풍력, 태양광 ) 발전의안정적인운전이기대 135

140 에너지저장 레독스플로우배터리 (2) 산업의구조 에너지저장시스템 (ESS) 은전력인프라를구성하는요소이며차세대전력망을구현하기위한핵심요소중의하나로전력망과연계해야만효율성이있는전력인프라에종속되어있는영역 에너지저장시스템 (ESS) 의경우리튬이차전지, 레독스플로우배터리등의에너지를저장하는이차전지, PCS(Power Conditioning System), PMS(Power Management System), BMS(Battery Management System), EMS(Energy Management System) 등다양한부품으로구성되어있어각부품의사업참여자들사이에유기적인협조가필요한제품 납축전지 (Pb-acid), 니켈-수소전지 (Ni-MH), 리튬이차전지, 레독스플로우배터리등다양한배터리방식에기반을둔에너지저장시스템 (ESS) 의비중이수용가용시장에서 90% 에이를정도로빠르게증가 레독스플로우배터리산업은일반적인이차전지산업과같이전지제조부분과후방산업인부품소재산업과더불어건설업, 중공업등이참여할수있고전방산업인대용량전력저장장치산업등으로구성 전방및후방모두에산업파급효과가큰수준이며, 국내레독스플로우배터리기술은아직초기시장진입단계로, 일부대기업을중심으로전지분야에서점차산업이확대되고있는형태 후방산업전지시스템전방산업 전극소재전해질분리막분리판적층기술기타부품및소재 [ 레독스플로우배터리분야산업구조 ] 전지제조공정전지제조설비전지성능평가제조공정자동화 대용량전력저장시스템, 신재생에너지저장시스템, 분산형발전시스템전기자동차, 조선방위, 교육 후방산업인부품소재의경우, 음 / 양극전극소재, 전해질, 분리막, 분리판등이레독스플로우배터리의에너지밀도, 출력밀도, 싸이클특성, 가격등을결정하는핵심인자로작용하며이들을조합하여레독스플로우배터리를제조함으로부품소재의기술력확보가중요 레독스플로우배터리제조의경우, 현재국내업체로는롯데케미칼, LS 산전, 현대중공업등이중심이되어고에너지밀도특성을갖는배터리를제조하고있으며부품소재분야에주로참여하고있는중소기업들은전지업체에서요구하는부품과소재공급 부품 / 소재를생산하고있는기업들은벤처및중소기업들이주를이루고있으나현재는주로수입에의존하고있는실정이며경쟁력있는기술을일부확보하고있는중소기업은분리판소재개발에치중 136

141 전략제품현황분석 나. 경쟁환경 국내에서바나듐계레독스플로우배터리를연구하게된동기는 1991년당시명지대강안수교수가일본요코하마국립대물질공학과오타교수의연구실객원교수로있으면서당시의 Moonlight 프로젝트로 Fe/Cr계레독스플로우배터리를연구 미국 NASA에서는 Fe/Cr계레독스플로우배터리를연구를시작하였으며이온 cross over 문제를해결하기위한연구가중심테마로구성 이후바나듐계레독스플로우배터리연구에서는 V(+5) 이온의이온교환막에대한산화성이커서 Nafion 분리막을대체할수있는고내구성및저가격의분리막개발을중심으로연구 최근에는한국에너지기술연구원에서풍력발전, 태양광발전등의신재생에너지로부터나온전력을저장하는전력저장시스템의일환으로연구를진행하고있음 삼성전자종합기술원은 2009년부터고에너지밀도레독스플로우배터리개발을위해일본의 Tomamae 실증단지의과제로제시된에너지밀도향상과효울향상을중심으로개발 ( 주 ) 롯데케미칼은고에너지밀도 Zn/Br계레독스플로우개발을위해미국의 ZBB Energy사와공동으로출자하여현재시장진출을앞두고있으며주 ( 모간 ) 은전지용분리판의전기적, 기계적특성을향상시키기위한개발을진행 [ 주요세계업체의개발현황 ] 경쟁사 System 회사현황 FWG /Cellstrom GmbH V-Fuel Pty Ltd Plurion System Prudent Energy [ VRB ] ZBB Energy V/V V/Br Zn/Ce V/V Zn/Br FB 10/100 상품을태양광발전과 hybrid 화하여제품화 2000 년과 2006 년에각각설립되었으며, 2004 ~ 2006 년에걸쳐 6 개의성공적인시스템을운영함 호주 NWSU Kazacos 교수의기술을도입하여 VRB 를상업화한회사로서, VRB 의 2 세대전지라할수있는 Generation 2 VBr Battery 의 an exclusive worldwide license 보유 주로 0.5kW ~ 5kW 급의연구에치중해왔으며, 분리판연구와전도성플라스틱전극개발강점보유 영국의 Flow battery venture 회사임 15 개의고유특허를보유하고있고 MSA 를사용하는것이특징 Ce+4/Zn0/MSA(2.4V),Pb+4/Pb0/MSA(2.0V), Zn/O2//MSA(1.8V) 에대한연구진행 영국회사내에 1MWh 급실증장치운영 California Energy Commission & Sacramento Municipal Utility District 는총 30 만불규모의 Funding 을통해 20kW x 9hr 용 VRB-ESS 를 California 의 Telecoms Site 에설치 Kenya 의 Safaricom 과함께 Winafrique Technologies 에 2 대의 5kW x 4hr VRB ESS 를공급하였고, 향후 Kenya 내 300 여곳으로확대 지난 15 년동안 25 개이상의 working systems 를설치한경험과 25 개국이상에특허권보유 상품인 ZESS 50TM 가북경올림픽기간동안전시됨 Zero Net Energy(ZNE) Future House USA(FHUSA) 에공급 ( 용량 : 50kWh) 미국 Eaton Corporation s Innovation center 에 UPS 용으로 50kWh module testing 시작향후 1MWh 급개발의기초성능시험으로활용될예정 137

142 에너지저장 레독스플로우배터리 [ 제품분류별경쟁자 ] 구분 경쟁환경 기술분류전극흐름전해질이온교환막 주요품목및기술 고내식성카본복합재전극, 고활성촉매전극 고농도바나듐계레독스커플, 2V 이상고전압레독스커플, Zn/Ce 계레독스커플, Zn/Br 계레독스커플, V/Br 계레독스커플 고강도, 고내식성폴리머이온교환막, 이온전도성이향상된이온교환막, 유 / 무기이온교환막, 기계적강도및전도성이향상된이온교환막, 내강산성분리막 해외기업 Sumitomo Electric Industries, LOCKHEED MARTIN ADVANCED ENERGY STORAGE, 24M Technologies, NISSIN ELECTRIC Sumitomo Electric Industries, LOCKHEED MARTIN ADVANCED ENERGY STORAGE, Nippon Chemical Industrial, KASHIMA-KITA ELECTRIC POWER Sumitomo Electric Industries, 24M Technologies, NISSIN ELECTRIC, SHOWA DENKO 국내기업 롯데케미칼, 엘지화학, OCI, 포스코 ICT, GS 칼텍스, 현대자동차 롯데케미칼, 엘지화학, OCI 롯데케미칼, 엘지화학, OCI, 삼성 SDI, SK 케미칼, SK 이노베이션, 삼성전자 138

143 전략제품현황분석 다. 전후방산업환경 최근기후변화에따른중요성의인식으로온실가스및유해가스의배출을최소화할수있는에너지효율화기기로써중대형이차전지에대한관심이고조되고있으며정부의에너지효율향상기기보급정책및시장의필요성등으로산업이급격히팽창할것으로예측 아울러주요선진국은친환경자동차및전력저장등의에너지보급정책을수립하고특히대형에너지전력저장장치의경우, 신재생에너지, 대규모발전소, 변전소, 일반산업및가정등다양한수요가존재하여정책의수립이용이 선진국을중심으로고효율이며온실가스의배출량이획기적으로절감되는대용량에너지저장장치에대한관심증대및시장확대등으로단기간에급속히시장이확대될전망 전력저장용대형이차전지관련기슬중리튬이온이차전지를제외한기술력은주요선진국과대비하여열악한상태이며특히부품및소재관련기술은매우취약 이차전지산업은기술집약적인산업이고전후방산업에막대한영행을미치며전방산업에위치한전기자동차, 전력저장장치, 로봇, 모바일기기등핵심부품으로사용되어이차전지의개발여부가전방산업의존폐좌우 레독스플로우배터리는일반적인이차전지산업과같이후방산업인부품및소재산업, 그리고전방사업인대용량전력저장장치및전기자동차등으로구성 레독스플로우배터리분야에서중소기업의주요사업영역은후방산업영역이며, 전방사업의경우는대기업이참여하는것이바람직 후방산업인부품및소재부분의경우, 전극및분리판소재, 전해액, 분리막등이레독스플로우배터리의에너지, 출력, 수명, 가격등을결정하는핵심인자로작용하며이들을조합하여전지를제조함으로부품과소재의기술력확보가중요 부품과소재를생산하고있는기업들은벤처및중소기업들이주를이루고있으나최근고에너지밀도레독스플로우배터리를중심으로대기업의참여및자본투자활발 139

144 에너지저장 레독스플로우배터리 3. 시장환경분석 가. 세계시장 대형에너지저장시스템의세계시장규모는향후전력수요증가와신재생에너지확산등으로크게성장할것으로예상하며 2018년 346억달러시장을형성할전망 특히전력시스템을위한에너지저장시스템으로보조서비스용, 신재생에너지연계용등의에너지저장시스템은높은성장률을기록할것으로예상 주요선진국들은시장확대를위해에너지저장시스템과관련된연구개발과실증을활발히추진중이며일부상용화에성공하는등사업화단계진입 레독스플로우배터리용레독스쌍소재의개발에따른시장규모및매출액은미국의 EIA 세계에너지전망을근거로다음과같이전망 [ 신규레독스쌍소재세계시장규모추정근거 ] 구분항목단위 2020 년 2030 년 전세계발전량 TWh/ 년 16,000 33,300 신재생에너지전력생산비중 % 5% 15% 신재생에너지전력생산량 TWh/ 년 800 4,995 신재생에너지중태양 / 풍력발전생산량 TWh/ 년 (15% 假定 ) 세계시장 태양 / 풍력발전 배터리저장비율 % 5.0% 15.0% 배터리에너지저장량 TWh/ 년 하루 8 시간충방전시필요전력량 kwh 5,479, ,986,3 00 배터리저장량을 365 로나누어주어야함 레독스쌍의시장규모억원 5, ,600 계산식 : (5,479,452 x 990$ x 1,500 원 /$) 15kWh * 자료 : PEFC 시장규모, 후지경제 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) 세계시장 * 자료 : PEFC 시장규모, 후지경제 [ 신규레독스쌍소재세계시장규모및전망 ] 140

145 전략제품현황분석 고분자전해질연료전지 (PEFC) 와레독스플로우배터리용분리막의기능과특성이유사하여동시에사용할있다고가정하여다음과같이전망 매출추정산출근거제시 : 세계시장의 20% share 가정 ( 근거자료 PEFC 시장규모, 후지경제 ) 전세계 PEFC 세계시장 : 20,000억원 X 분리막비중 (20%) = 4,000억원 (2020년기준 ) [ 신규분리막소재세계시장규모추정근거 ] 구분 전세계 PEFC 시장 분리막비중 2020 년 2021 년 2022 년 20,000 원 20% 4,000 억원 4,400 억원 4,800 억원 10% 성장 10% 성장 전세계발전량 (2020) 16,000 TWh/ 년 신재생에너지전력생산비중 : 5% 신재생에너지전력생산량 : 800 TWh/ 년신재생중태양 / 풍력발전생산량 : 120 TWh/ 년 ( 신재생의 15% 예상됨 ) 태양 / 풍력발전중 battery저장비율 (5% 로예상 ) : 6.0 TWh/ 년 세계시장 배터리에너지저장량 : 60 억 kwh 60억 kwh/(8h/ 일 x 365일 / 년 )= 2,050,000kW 2,050,000kW x 500$/kW(Nafion 117 membrane가격 ) = 10.3억 $ RFB가전체전력저장전지의 20% 를차지한다고가정 10.3억 $ x 0.2 x 1,500원 /$ = 3,090억원 3,090억원 3,245억원 3,407 억원 5% 성장 5% 성장 PEFC + RFB용 membrane total 7,090억원 7,645원 8,207억원 * 자료 : PEFC 시장규모, 후지경제 [ 분리막소재분야의세계시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) 세계시장 * 자료 : PEFC 시장규모, 후지경제근거산출 141

146 에너지저장 레독스플로우배터리 [ 신규분리판 / 전극소재세계시장규모추정근거 ] 구분 전세계 PEFC 시장 분리막비중 2020 년 2021 년 2022 년 20,000 원 20% 4,000 억원 4,400 억원 4,800 억원 10% 성장 10% 성장 전세계발전량 (2020) 16,000 TWh/ 년 신재생에너지전력생산비중 : 5% 신재생에너지전력생산량 : 800 TWh/ 년신재생중태양 / 풍력발전생산량 : 120 TWh/ 년 ( 신재생의 15% 예상됨 ) 태양 / 풍력발전중 battery저장비율 (5% 로예상 ) : 6.0 TWh/ 년 세계시장 배터리에너지저장량 : 60 억 kwh 60억 kwh/(8h/ 일 x 365일 / 년 )= 2,050,000kW 2,050,000kW x 480$/kW( 분리판 / 전극가격 ) = 9.84억 $ RFB가전체전력저장전지의 20% 를차지한다고가정 9.84억 $ x 0.2 x 1,500원 /$ = 2,952억원 2,952억원 3,100억원 3,255 억원 5% 성장 5% 성장 PEFC + RFB용분리판 / 전극 6952억원 7,500원 8,055억원 * 자료 : PEFC 시장규모, 후지경제근거산출 [ 신규분리판 / 전극소재세계시장전망 ] 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) 세계시장 * 자료 : PEFC 시장규모, 후지경제근거산출 142

147 전략제품현황분석 나. 국내시장 10년기준국내에너지저장시스템 (ESS) 시장규모는세계시장대비약 1% 수준이나투자확대를통해 20년세계시장점유유 30%( 약 14조원 ) 목표로총 6.4조원의 R&D 설비투자추진계획 현재는시장형성전실증단계이나, 향후전력소비량증가및신재생에너지확대에따라중장기적으로는수요가급팽창할전망 에너지저장장치시장규모는 15년리튬이차전지가 2,209억원으로대부분을차지하고있으나향후레독스플로우배터리시장이급속히확대될것으로전망 더불어레독스플로우배터리와관련된부품소재시장확대될전망이고특히분리판, 전극및분리막의수요가기존의이차전지나연료전지시장과맞물려크게확대될것으로예상 신규레독스쌍의개발을통하여대량의전이금속화합물또는 metal-ligand 화합물의수요창출이기대되고기존화학기반기업들의사업아이템확장을통해새로운비즈니스모델창출기대 레독스플로우배터리는스마트그리드로대변되는 21세기에너지혁명의핵심역할인대용량에너지저장장치로써중추적인역할을할전망이며 21세기전력망을구현을위해서는전력의생산과소비의불균형문제를해결할수있는완충적역할을할수있는대안으로떠오르는기술분야 대용량에너지저장시스템은향후전기자동차용보다수요가더욱더빠르게성장할것으로예상되며신재생에너지관련부문시장은 2020년약 10조원으로성장할것으로전망 전력계통안정화를위한대규모에너지저장부문은 2020년약 10조원으로신재생에너지부문과유사하며가정용및산업용 UPS 시장은 9.4조원으로빠르게성장할것으로전망 최근발생한블랙아웃사태와관련하여안정적인에너지저장및공급장치에대한수요가증가하고있으나수백 kw ~ MW급용량의에너지저장장치에대한충 / 방전특성, 성능평가등평가장비가부족한상태 따라서선진사제품을벤치마킹하여다양한기술개발을통해신제품을개발하고기술극대화로시장에서요구하는신뢰성이우수한성능평가장비를개발하여에너지저장시스템의효율을극대화할필요성존재 현재레독스플로우전지성능평가는일부장비를제외하고외국제품에대한의존도가크며시장확대를위해저가격, 고신뢰성및국산화에대한수요가지속적으로요구 [ 레독스플로우배터리분야의국내시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 억원, %) CAGR ('13~'15) 국내시장 5,447 5,719 6,005 6,306 6,621 6, * 자료 : PEFC 시장규모, 후지경제근거산출 143

148 에너지저장 레독스플로우배터리 다. 무역현황 레독스플로우배터리기술의공정기술로품목단위의무역현황을분석하는데수출량에비하여수입량이급격히감소하는추세 레독스플로우배터리관련기술의수출현황은 11년 7억 9,906만달러에서 15년 6억 2,322만달러수준으로감소하였으며, 수입현황은 11년 1억 3,262만달러에서 15년 6,423만달러수준으로감소하여무역수지흑자폭이감소 최근 5년 ( 11~ 15년) 간연평균성장률을살펴보면수출금액은 6.4% 로감소하였으며, 수입금액은 19.9% 로감소하여전체무역수지는 4.3% 로감소한것으로나타남 무역특화지수는 11년(0.72) 부터 15년(0.81) 까지증가한것으로나타나점차수출특화상태로국내기업의수출량이증가하고있는것으로나타났으며, 국내의레독스플로우배터리제품의해외시장진출이활발하게이루어지고있는것으로분석 [ 레독스플로우배터리관련무역현황 ] 구분 ( 단위 : 천 $) CAGR ('11~'15) 수출금액 799, , , , , % 수입금액 132,618 90,681 52,149 51,684 64, % 무역수지 % 무역특화지수 * * 무역특화지수 = ( 상품의총수출액 - 총수입액 )/( 총수출액 + 총수입액 ) 으로산출되며, 지수가 0 인경우비교우위는중간정도이며, 1 이면완전수출특화상태를말함. 지수가 -1 이면완전수입특화상태로수출물량이전혀없을뿐만아니라수입만한다는뜻 * 자료 : 관세청수출입무역통계 HS-Code(6 자리기준 ) 활용 144

149 전략제품현황분석 4. 기술환경분석 가. 기술개발트렌드 기존전지기술로활용가능 레독스플로우배터리는활물질이기존의전지처럼고체상태의전극이아니고액체상태의전해액이며산화수가다른양극과음극전해액이충 / 방전시에발생하는양극과음극에서의기전력의차이를이용 국내의기술수준은현재제품이나발표된연구결과등이간혹나오고있으나구체적인기술수준을언급하기에는미흡 레독스플로우배터리시스템을구성하는레독스쌍, 분리막, 전극및분리판, BOP, PCS 등기존의이차전지와연료전지개발에축적된기술활용가능 * 출처 : 한국과학기술연구원 [ 레독스플로우배터리연구진행상황 ] 에너지효율이높은레독스플로우배터리용분리판은전지주요성분의하나인전극을지지하며동시에전류를원활하게흐르게하는집전체 (current collector) 의역할을하는기판 레독스플로우배터리용분리판에대한연구는주로상용화가능성이가장큰 vanadium계및 Zn/Br계레독스플로우배터리용전극과분리판에대한개발기술이집중적으로연구 레독스플로우배터리용분리판에대한연구는주로상용화가능성이가장큰 vanadium계및 Zn/Br계레독스플로우배터리용전극과분리판에대한개발기술이집중적으로연구 얇은전도성접착막과저가의유연성이큰흑연기판을개발하여전극과의접촉면및전기전도도를향상시켜전지의내부저항을감소시키는기술개발 145

150 에너지저장 레독스플로우배터리 전극과분리판소재는기본적으로흑연계 (graphite) 계소재로써 graphite felt, impermeable graphite, carbon-plastic composite 등이며전지의쿨롱 (coulombic) 효율과전압 (voltage) 효 율을향상시키기위해전지의내부저항 (internal ohmic resistance) 을감소시키는연구가진행 * 출처 : 한국과학기술연구원 [ 레독스플로우배터리연구진행상황 ] 레독스플로우배터리용고내구성분리막은양극액및음극액활물질의이온혼합방지및수소이온 (H + ) 또는하이드록사이드이온 (OH - ) 이동만가능하거나전류플럭스 (flux) 의이동만가능하게하는레독스플로우배터리의핵심소재 국내의경우, 분리막을연구하는그룹은기업, 연구소, 학교등에걸쳐있으며대부분이이차전지와연료전지용분리막을연구개발하고있으며몇몇기업은파일롯플랜트수준의기술개발 또한불소계분리막연구와함께비불소계인탄화수소계연구를하고있으며높은 내구성을가진분리막개발에집중 이온전도도와 가교결합된 PVA/SiO 2 하이브리드, PVA/PAA/SiO 2 하이브리드형태의분리막을개발하여 10-2 S/cm의높은이온전도도를달성한바있고유 / 무기하이브리드형태의분리막개발 국외의경우대표적인분리막개발기술은 Dupon에서불소화고분자인 Nafion을개발하여이미양이온교환막으로상용화 호주에서는양이온교환막으로 Nafion125, CMV를, 음이온교환막으로 AMV, DMV를이용하여막저항및바나듐 4가및 5가이온 (VO 2+, VO + 2 ) 의막투과성에관한적용연구 일본은 polyethylene(pe) 대칭막과비대칭막을기막으로양이온교환막을제작한연구및이를바나듐레독스플로우배터리에적용한연구와 PE 대칭막과비대칭막, 시판의음이온교환막 (selemium, Asahi Kassei) 에전자선을조사하여물리적으로가교화시켜막의내산화성향상과이를이용한바나듐레독스플로우배터리의특성연구 146

151 전략제품현황분석 나. 주요업체별기술개발동향 (1) 해외업체동향 미국의 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory) 은 KW급개발을완료했고, 1MW급레독스플로우배터리를개발진행중 미국의 EPRI(Electric Power Research Institute) 는레독스플로우배터리, NaS, Zn/Br 등대형저장장치실증시험에진행중 일본훗카이도전력은스미토모와함께공동으로미나미하야기타변전소에 6만kWh 대형레독스플로우배터리방식의전력저장실증 일본의스미토모는훗카이도전력과같은유틸리티기업을통해수익을창출하는규제형비즈니스모델을추진 스미토모전기공업은앞으로레독스플로우배터리 분야에서연간 1000억엔규모의사업을목표로하고있음 특히신흥국세력에대응할수있도록생산비용을대폭삭감하는기술을이미개발한것으로알려져있음 일본정부도축전지를성장산업중하나로설정하고지원체제를정비하고있고, 해외의정부관계자의시찰도이어지고있음 스미토모전기공업이홋카이도 ( 北海道 ) 전력과공동으로세계최대규모 ( 전지용량은 6만킬로와트 ) 의전지를설치하여실험시험을시작했음 * 자료 : 経테크놀로지 Online(2016) [ 레독스플로우배터리의실증사업 ] 일본의 Ryhkyu는 VANASAVER 전해질개발및판매중 독일의 Fraunhofer ICT는전기자동차용레독스플로우배터리프로토를개발하며, 유기계활물질개발을진행함 오스트리아의 Cellstrom은레독스플로우배터리 10/100 상품을태양발전과연계시킴 147

152 에너지저장 레독스플로우배터리 (2) 국내업체동향 삼성SDI와 LG화학, SK이노베이션등은리튬이차전지기술을바탕으로에너지저장시스템까지사업영역확대 삼성 SDI는 14년인도 ACME사와 2년간총 110MWh 규모의에너지저장시스템 (ESS) 공급 MOU 체결, 통신기지국, 태양광연계용에에너지저장시스템 (ESS) 를독점공급 LG 화학은전기차배터리개발경험을살려에너지저장장치개발에도적극참여, 부터독일 SMA 사에 2kWh 급가정용에너지저장시스템 (ESS) 배터리를공급 13 년 7 월 BMS와충 / 방전기전문업체인피앤이솔루션은전기차충전기와에너지저장시스템 (ESS) 융합모델을 13년 12월일본수출, 에너지저장시스템 (ESS) 기반급속충전기를일본중공업분야대기업에 16기공급 전력변환장치를전문으로개발하는포스코 ICT, 효성등도시스템사업에적극참여 포스코 ICT는일본에디슨파워에 13년 12월에너지저장장치 (ESS) 를공급하였고, 효성은기존 500kW PCS를보강해 14년 1MW급 PCS 개발완료 LS 산전은 1MW급 PCS 개발중이며, 소형에서중대형까지자체개발추진중이고, LG유플러스는 3년 250kW PCS 개발완료, 국내업체처음으로 LG화학익산사업장에 3MW (1MW 3) 급 PCS를구축 한국전력은 13년 11월에너지저장시스템 (ESS) 를활용한지능형사옥에너지관리시범사업을착수, 구리남양주지사에에너지저장시스템 (ESS) 50kWh 활용스마트그리드스테이션개발 148

153 전략제품현황분석 다. 기술인프라현황 에너지저장시스템은 (ESS) 는공공성이중시되는전력인프라에종속되어있고투자회수기간이긴산업특성상새로운변화에매우소극적이며, 다양한이해관계자가존재하므로에너지저장시스템 (ESS) 산업활성화를위해서이해관계자간의합의점도출이필요 에너지저장시스템 (ESS) 을활용한새로운비즈니스모델이창출되고있으며, 전기사업법, 소방법등전기안전관리에필요한법과제도개선을포함하여총괄적인산업활성화시스템구축이필요 에너지저장시스템 (ESS) 으로써에너지저장장치인레독스플로우배터리는미국, 유럽, 일본, 중국등에서실증에성공하여상용화에낙관적이나리튬이차전지및 NaS 전지에비해실증및상용화단계가다소뒤처진상황 에너지밀도향상과전체적인효율상승이라는측면에서혁신적인아이디어를이용하면대형전력저장전지에서기회선점가능 * 자료 : 한국에너지기술평가원 [ 고출력고에너지밀도레독스플로우배터리로드맵 ] 149

154 에너지저장 레독스플로우배터리 라. 특허동향분석 (1) 연도별출원동향 레독스플로우배터리기술의지난 7년 ( 10~ 16) 간출원동향 12) 을살펴보면연도별로출원경향이증가, 감소를반복하고있어지속적으로레독스플로우배터리관련기술개발활발 각국가별로살펴보면미국의출원경향은 10년이후로급격히증가하는추세를보이며, 한국또한증가하는경향을나타냄. 일본은 12년에감소하다이후로증가하다유지하는경향을보이고있으며, 유럽도출원건수를유지 국가별출원비중을살펴보면한국이 37.5% 로최대출원국으로레독스플로우배터리기술을리드하고있는것으로나타났으며, 미국이 28.3%, 일본이 21.9% 로비슷한수준의출원비중을보이고있음 [ 레독스플로우배터리분야연도별출원동향 ] 12) 특허출원후 1 년 6 개월이경과하여야공개되는특허제도의특성상실제출원이이루어졌으나아직공개되지않은미 공개데이터가존재하여 2015, 2016 년데이터가적게나타나는것에대하여유의해야함 150

155 전략제품현황분석 (2) 국가별출원현황 한국의출원현황을살펴보면 11년이후출원이증가하는경향을보이고있으며, 외국인의출원이점차증가 출원인대부분이자국출원으로한국내의기술력이우수한것으로추정 일본의출원현황은 12년에감소하는추세에서증가추세로변화하였으며, 출원인대부분이자국출원으로일본내의기술력이우수한것으로추정 미국의출원현황은지속적으로증가되고있는추세를보이고있으며, 출원인대부분이외국인으로미국과유럽은자국인의출원이적음 [ 국가별출원현황 ] 151

156 에너지저장 레독스플로우배터리 (3) 투입기술및융합성분석 레독스플로우배터리분야의투입기술을확인하기위하여특허분류코드인 IPC Code 13) 를통하여살펴본결과레독스플로우배터리분야의가장높은 IPC는 H01M 기술분야가 674건으로가장많이차지하고있으며, 이어서 H02J가 10건, C08L이 8건으로다수를차지 이외에 C07C, G01R, C08G, C08J 등의기술이투입되어있어있는것으로확인됨 더불어해당 IPC의특허인용수명을살펴보면 B21D 기술분야의수명이 10년으로가장긴것으로나타났으며, C23C 기술분야는 7년으로가장짧은것으로분석 [ 레독스플로우배터리분야상위투입기술 ] IPC 기술내용특허인용수명 (TCT) 14) H01M 화학적에너지전기적에너지직접변환하기위한방법또는수단 8 년 H02J 전력급전또는전력배전을위한방식 ; 전기에너지축적하기위한방식 7 년 C08L 고분자화합물의조성물 8 년 C07C 비환화합물또는탄소환화합물 9 년 G01R 전기변량의측정 ; 자기변량의측정 7 년 C08G 탄소 - 탄소불포화결합만이관여하는반응이외의반응으로얻는고분자화 합물 8 년 C08J 마무리 ; 일반적혼합방법 ; 서브클래스 C08B, C08C, C08F, C08G 또는 C08H 에포함되지않는후처리 7 년 F16J 피스톤 ; 실린더 ; 압력용기일반 ; 밀봉장치 10 년 C07F 탄소, 수소, 할로겐, 산소, 질소, 황, 셀레늄또는텔루르이외의원소를함 유하는비환식, 탄소고리또는이종원자고리화합물 7 년 13) 전세계적으로통용되고있는국제특허분류 (IPC: International Patent Classification) 를통해특허정보기술분야에서공지기술을조사할수있으며, 기술및권리정보에용이하게접근가능 14) 특허인용수명지수는후방인용 (Backward Citation) 에기반한특허인용수명의평균, Q1, Q2( 중앙값 ), Q3 에대한통계값을제시함. 특히이와같이산출된 Q2 는 TCT(Technology Cycle Time, 기술순환주기또는기술수명주기 ) 라고부름 152

157 전략제품현황분석 투입기술이가능많은 H01M 분야와융합이높게이루어진기술은 H02J 분야로나타났으며, C08J, G01N 분야와도나타융합된기술의건수가높은것으로분석 이외에 H02J 분야와융합된기술은 H02J, B60L, B63B 분야와융합된기술이많은것으로나타났으며, C08L 분야와융합된기술은 H01M, C08K, C08J 기술로분석 [ 레독스플로우배터리분야 IPC 기술및융합성 ] (4) 주요출원인분석 세계주요출원인을살펴보면주로미국의출원인이다수의특허를보유하고있는것으로나타났으며, 전기전자분야의출원인이대부분 주요일본출원인을살펴보면 SUMITOMO ELECTRIC 이며, 주요미국출원인은 LOCKHEED MARTIN ADVANCED ENERGY STORAGE, BATTELLE MEMORIAL, ENERVAULT, UNIENERGY TECHNOLOGIES 등전자기업이다수출원을하고있는것으로나타났음 한국출원인으로는 OCI, 삼성전자, 한국에너지기술연구원, 롯데케미칼등의기업이상위출원인으로나타나레독스플로우배터리관련기술을다수보유 153

158 에너지저장 레독스플로우배터리 가장많은특허를보유하고있는 SUMITOMO ELECTRIC 의 3극패밀리수가 69건으로다국적으로시장을확보하며출원을하고있는것으로보이며, 미국의 LOCKHEED MARTIN ADVANCED ENERGY STORAGE도 14건으로다국적시장을확보 한국기업인삼성전자가확보한특허의피인용지수가 6.2로가장높게나타나기술의파급성이높은원천기술을다수보유하고있는것으로분석됨 [ 주요출원인의출원현황 ] 주요 IP 시장국 ( 건수 %) 3 극 주요출원인 국가 한국미국일본유럽 IP 시 장국 종합 패밀리수 ( 건 ) 피인용 지수 주력기술분야 SUMITOMO ELECTRIC 일본 % 14% 56% 19% 일본 레독스플로우 전지시스템 OCI 한국 % 18% 5% 21% 한국 레독스플로우 전지평가방법 LOCKHEED MARTIN ADVANCED ENERGY STORAGE 미국 % 43% 23% 11% 미국 레독스플로우 배터리충전 삼성전자 한국 % 47% 3% 6% 미국 레독스플로우 배터리용부품 한국에너지기술연구원 한국 % 10% 0% 0% 한국 레독스플로우 배터리용부품 롯데케미칼 한국 % 4% 0% 4% 한국 2 0 레독스플로우 배터리용부품 BATTELLE MEMORIAL 미국 % 68% 5% 9% 미국 하이브리드에너지저장 시스템 ENERVAULT 미국 % 79% 0% 21% 미국 레독스플로우 전지시스템 UNIENERGY TECHNOLOGIES 미국 % 83% 6% 6% 미국 레독스플로우 전지시스템 전자부품연구원 한국 % 6% 0% 0% 한국 레독스플로우 전지표면처리 154

159 전략제품현황분석 (5) 국내출원인동향 국내출원인동향을살펴보면대기업은 OCI의출원건수가가장높게나타났으며, 중소기업에서는에이치투의출원건수가높게나타남 대기업의주요출원인은 OCI, 삼성전자, 롯데케미칼, 엘지화학등이있으며, 중소기업의주요출원인은에이치투, 누리플랜, 스탠다드에너지등이주요출원인인것으로나타남 기업이외의주요출원인을살펴보면한국에너지기술연구원, 전자부품연구원, 한국생산기술연구원등연구소 / 공공기관의출원이다수나타났으며, 대학은한국과학기술원, 서울대학교, 연세대학교등의출원이높은것으로분석됨 [ 국내주요출원인의출원현황 ] 155

160 에너지저장 레독스플로우배터리 5. 중소기업환경 가. 중소기업경쟁력 레독스플로우배터리분야의중소기업경쟁력은기술분류별로차이가있으나레독스플로우배 터리기술은중소기업이다수참여하여시장에서의역할이큰분야로나타났으나, 적용분야별로 전극, 전해질, 이온교환막분야는대체로중소기업의경쟁력이높은것으로분석됨 [ 레독스플로우배터리분야중소기업현황 ] 기술분류주요기술대기업중소기업 중소기업 참여영역 중소기업 참여정도 전극 고내식성카본복합재전극개발기술, 고활성촉매전극개발기술 삼성전자, 현대자동차, OCI, 포스코 ICT, GS 칼텍스, 에이치투, 누리플랜, 스탠다드에너지, 에너지와공조, 레드초이스, 모간, 오버넷, 아이비티 촉매, 탄소담지복합체, 표면적처리, 대면적전극제작을위한카본펠트열처리기술 전해질 고농도바나듐계레독스커플, 2V 이상고전압레독스커플, Zn/Ce 계레독스커플, Zn/Br 계레독스커플, V/Br 계레독스커플 삼성전자, 롯데케미칼, 엘지화학, SK 이노베이션, 삼성정밀화학, 에이치투, 누리플랜, 스탠다드에너지, 에너지와공조, 레드초이스, 모간, 오버넷, 아이비티 고이온전도성고분자전해질, 전해액첨가제,V2O5 를이용한전해질대량생산및고에너지밀도를가지는전해질 이온교환막 고강도, 고내식성폴리머이온교환막, 이온전도성이향상된이온교환막 삼성전자, 롯데케미칼, 엘지화학, SK 이노베이션, 삼성 SDI, OCI 에이치투, 누리플랜, 스탠다드에너지, 에너지와공조, 레드초이스, 모간, 오버넷, 아이비티 유기, 무기계음극보호막, * 중소기업참여정도와점유율은주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 를고려하여 5 단계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 156

161 전략제품현황분석 나. 중소기업기술수요 레독스플로우배터리분야의중소기업의기술수요를파악하기위하여중소기업기술수요조사및중소기업청 R&D신청과제 (2013~2015 년 ) 를분석한결과아래표의내용과같은수요들이다수있는것으로분석 레독스플로우배터리분야중소기업은최근에고안전성, 신뢰성확보, 대형화등과관련된기술과관련된기술개발에다수수요가있는것으로나타났으며, 이는레독스플로우배터리부품개발의관심이높아지고있는추세를반영한것으로분석됨 [ 레독스플로우배터리분야과제신청현황및수요조사결과 ] 전략제품기술분류관심기술 전극 ZnBr-RFB 용고내구성고경제성전극개발레독스흐름전지분리판용흑연복합소재개발및플로우프레임일체형분리판성형공정기술개발레독스흐름전지부품소재기술개발레독스흐름전지용 1500cm2 이상의플로우프레임일체형분리판기술개발 ZnBr-RFB 용고내구성고경제성전극개발 레독스플로우배터리 전해질 고안정성 VRFB(vanadium redox-flow battery) 전해액개발레독스이차전지의장기밀폐신뢰성확보및유지보수비용저감을위한전해질모니터링시스템개발레독스흐름전지부품소재기술개발이온투과막을이용한고농도바나듐레독스흐름전지용전해장치및전해액개발 이온교환막 레독스흐름전지부품소재기술개발이온투과막을이용한고농도바나듐레독스흐름전지용전해장치및전해액개발 157

162 에너지저장 레독스플로우배터리 다. 중소기업핵심기술 (1) 데이터기반요소기술발굴 레독스플로우배터리기술의특허및논문데이터검색을통해도출된유효데이터를대상으로데이터마이닝기법 (Scientometrics 기법 ) 을통해클러스터링된키워드의연관성을바탕으로요소기술후보군을도출 레독스플로우배터리기술의특허및논문유효데이터를기반으로키워드클러스터링을통하여 9개의요소기술후보군을도출 제품별 dataset 구축 : 레독스플로우배터리기술관련특허 / 논문데이터를추출하여노이즈제거후제품별 dataset 구축 1차클러스터링 : 키워드맵을통한고빈도키워드확인-빈도수 (tf-idf) 15) 가상위 30% 에해당하는키워드를대상으로 1차추출 2차클러스터링 : 1차클러스터링에서추출된고빈도키워드사이에서고연관도키워드를 2차추출 ( 고연관도기준은연관도수치 16) 가 2이상인클러스터로제한 ) 다음그림은키워드간연관네트워크를시각화한것으로, 각키워드를나타내는원과키워드간의연관도를나타내는직선으로구성 각키워드가특허와논문중어느데이터에서도출되었는지원의색으로구분하였으며, 키워드로도출된클러스터는황색음영으로표시 키워드를나타내는원은고빈도의키워드일수록원의크기가크게표현되며, 연관도를나타내는선은키워드사이의연관도수치가높을수록굵게표현 레독스플로우배터리기술전략제품의특허 논문유효데이터에대하여키워드클러스터링결과를기반으로요소기술도출 데이터기반의요소기술도출은키워드클러스터링을통해도출된요소기술에대하여전문가의검증및조정을통하여요소기술을도출 15) 빈도수 (tf-idf) : 각키워드가출현되는특허또는논문수를의미 16) 연관도수치 : 두개이상의키워드사이의특허또는논문수를의미 158

163 전략제품현황분석 [ 레독스플로우배터리분야키워드클러스터링 ] [ 레독스플로우배터리분야주요키워드및관련문헌 ] No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 01 ion exchange membrane 4~7 1. Ion exchange membranes for vanadium redox flow battery (VRB) applications 2. Preparation of cation exchange membrane as a separator for the all-vanadium redox flow battery 3. Water transport study across commercial ion exchange membranes in the vanadium redox flow battery 클러스터 02 Vanadium flow batteries 5~7 1. Possible use of vanadium redox-flow batteries for energy storage in small grids and stand-alone photovoltaic systems 2. Characteristics of a new all-vanadium redox flow battery 클러스터 03 graphite sheet, electrodes 4~8 1. Electrochemical modification of a pyrolytic graphite sheet for improved negative electrode performance in the vanadium redox flow battery 2. Advanced porous electrodes with flow channels for vanadium redox flow battery 159

164 에너지저장 레독스플로우배터리 No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 3. Highly porous graphenated graphite felt electrodes with catalytic defects for high-performance vanadium redox flow batteries produced via NiO/Ni redox reactions 클러스터 04 Electrochemical analysis 4~8 1. Electrochemical analysis of the performance loss in all vanadium redox flow batteries using different cut-off voltages 2. Evaluation of electrolytes for redox flow battery applications 클러스터 05 electrolyte, additives 4 1. A new redox flow battery using Fe/V redox couples in chloride supporting electrolyte 2. A Stable Vanadium Redox Flow Battery with High Energy Density for Large Scale Energy Storage 클러스터 06 surface treatment, electrode, pore 4~7 1. Vanadium redox reactions and carbon electrodes for vanadium redox flow battery 2. Treated carbon felt as electrode material in vanadium redox flow batteries: a study of the use of carbon nanotubes as electrocatalyst 클러스터 07 redox flow battery, current collector 4 1. Polypropylene elastomer composite for the all-vanadium redox flow battery: current collector materials 2. 3D Unsteady Numerical Simulation of All-Vanadium Redox Flow Battery 클러스터 08 non-aqueous redox flow battery 4~7 1. A high-performance all-metallocene-based, non-aqueous redox flow battery 2. Silicon-based non aqueous anolyte for li redox-flow batteries 클러스터 09 stability, membrane treatment 4 1. Pore-filled anion-exchange membranes for non-aqueous redox flow batteries with dual-metal-complex redox shuttles 2. Polysulfone-based anion exchange membranes demonstrate excellent chemical stability and performance for the all-vanadium redox flow battery 160

165 전략제품현황분석 [ 레독스플로우배터리분야데이터기반요소기술 ] No 요소기술명키워드 요소기술 01 RFB BOS 기술및시스템화기술개발 RFB BOS, system 요소기술 02 레독스흐름전지용플로우프레임일체형분리판기술개발 flow flame 요소기술 03 고에너지효율및저가화구현을위한 VRFB(Vanadium Redox Flow Battery) 용카본펠트국산화및표면처리기술개발 surface treatment, carbon pelt 요소기술 04 V 2 O 5 를이용한전해질대량생산및고에너지밀도를가지는전해질 high energy density, electrolyte 요소기술 05 대용량전력저장용전바나듐계레독스흐름전지용복합전극개발 composite cathode 요소기술 06 이온교환막물리화학적및전기화학적열화평가기술및가속수명 평가기술개발 Ion exchange membrane stbility, assessment 요소기술 07 저저항초박형레독스흐름전지배터리이온교환막개발 low resistance 161

166 에너지저장 레독스플로우배터리 (2) 요소기술도출 산업 시장분석, 기술 ( 특허 ) 분석, 전문가의견, 타부처로드맵, 중소기업기술수요를바탕으로로드맵기획을위하여요소기술도출 요소기술을대상으로전문가를통해기술의범위, 요소기술간중복성등을조정 검토하여최종요소기술명확정 [ 레독스플로우배터리분야요소기술도출 ] 분류요소기술출처 전극 고에너지효율및저가화구현을위한 VRFB(Vanadium Redox Flow Battery) 용카본펠트국산화및표면처리기술개발대용량전력저장용전바나듐계레독스흐름전지용복합전극개발 V 2 O 5 를이용한전해질대량생산및고에너지밀도를가지는전해질 특허 / 논문클러스터링 기술 / 시장분석, 기술수요, 특허 / 논문클러스터링, 전문가추천 기술 / 시장분석, 전문가추천 전해질 고농도로레독스쌍을용해시킬수있는용매및첨가제개발 대면적고분자전해질막의열화분석및피드백시스템구축 기술 / 시장분석, 기술수요, 전문가추천 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 레독스이차전지의장기밀폐신뢰성확보및유지보수비용저감을위한전해질모니터링시스템개발 기술 / 시장분석, 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 이온교환막 이온교환막물리화학적및전기화학적열화평가기술및 가속수명평가기술개발 저저항초박형레독스흐름전지배터리이온교환막개발 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 특허 / 논문클러스터링, 전문가추천 RFB BOS 기술및시스템화기술개발 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 시스템설계 레독스흐름전지용플로우프레임일체형분리판기술개발 기술 / 시장분석, 기술수요, 타부처로드맵 전압증폭형레독스흐름전지스택설계 기술 / 시장분석, 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 162

167 전략제품현황분석 (3) 핵심기술선정 확정된요소기술을대상으로산 학 연전문가로구성된핵심기술선정위원회를통하여중소기업에적합한핵심기술선정 핵심기술선정은기술개발시급성 (10), 기술개발파급성 (10), 단기개발가능성 (10), 중소기업적합성 (10) 을고려하여평가 [ 레독스플로우배터리분야핵심기술 ] 분류핵심기술개요 전극 표면처리기술개발 복합전극개발 가격경쟁력을위한대량생산및집적화를위한전극제조 전해질의반응성을높이기위한전극활성화 활성물질이강산에용해되어있으므로화학적, 전기화학적으로안정해야하며, 전지에적용했을때높은효 율이나오는기술 전해질 V 2 O 5 를이용한전해질대량생산 용매및첨가제개발 V 2 O 5 를이용한전해질대량생산및고에너지밀도를가 지는전해질생산기술 고농도로레독스쌍을용해시킬수있는용매및첨가제개발 이온교환막개발 저저항초박형레독스플로우배터리이온교환막개발 이온교환막 가속수명평가기술개발 이온교환막물리화학적및전기화학적열화평가기술및가속수명평가기술개발 163

168 에너지저장 레독스플로우배터리 6. 기술로드맵기획 가. 레독스플로우배터리기술로드맵 최종중소 중견기업기술로드맵은기술 / 시장니즈, 연차별개발계획, 최종목표등을제시함으로 써중소기업의기술개발방향성을제시 164

169 전략제품현황분석 나. 연구개발목표설정 [ 레독스플로우배터리분야핵심기술연구목표 ] 분류핵심기술기술요구사항 연차별개발목표 1 차년도 2 차년도 3 차년도 최종목표 고활성레독스플로우배터리용전극의표면처리기술개발 고내구성저가 수명 5000 시간이상 수명 6000 시간이상 수명 8000 시간이상 수명 8000 시간이상 전극 대용량전력저장용전바나듐계레독스플로우배터리용복합전극개발 낮은접촉저항 접촉저항 10-5 mω cm2 접촉저항 10-6 mω cm2 접촉저항 10-6 mω cm2 접촉저항 10-6 mω cm2이하 V 2 O 5 를이용한전해질대량생산및고에너지밀도를가지는전해질 고에너지밀도 에너지밀도 30Wh/Kg 에너지밀도 35Wh/Kg 에너지밀도 35Wh/Kg 에너지밀도 35Wh/Kg 이상 전해질 고농도로레독스쌍을용해시킬수있는용매및첨가제개발 고농도로레독스쌍을 용해 몰농도 1.8 M 몰농도 2.3 M 몰농도 2.3 M 몰농도 2.3 M 이상 저저항초박형레독스플로우배터리이온교환막개발 고내구성및높은이온전도도 이온교환용량 0.85 (meq./g) 이온교환용량 0.90 (meq./g) 이온교환용량 0.95 (meq./g) 이온교환용량 0.95 (meq./g) 이상 이온교환막 이온교환막물리화학적및전기화학적열화평가기술및가속수명평가기술개발 고내구성 함수율 20% 이하 함수율 15% 이하 함수율 10% 이하 함수율 10% 이하 165

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171 이차전지분리막 전략제품현황분석

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173 전략제품현황분석 이차전지분리막 정의및범위 이차전지분리막은이차전지내두전극을격리시켜물리적접촉에의한전기적단락을차단하고, 미세기공내에담지된전해액을통해이온이두전극사이로이동할수있는통로를제공하는미세다공막 습식법또는건식법으로제조된폴리올레핀계미세다공성단층또는다층분리막, 방사된섬유로제조되는부직포형분리막, 또는상기분리막이나부직포의적어도한면에고내열성물질이코팅된복합분리막을포함 정부지원정책 EV 및 ESS 용중대형이차전지세계시장점유율 1 위달성목표 중국소재업체의저가공세에대응하기위한국내중소기업지원 중대형이차전지상용화기술개발사업내분리막포함 ( 년 ) 중소기업시장대응전략 강점 (Strength) 높은고분자가공기술을바탕으로한우수한품질의이차전지분리막생산기술보유 다수의국내외전지업체로의분리막공급경험풍부 엘지화학, 삼성SDI, SK이노베이션등국내전지기업의중대형이차전지시장점유율확대기회 (Opportunity) 16년파리기후변화협정발효에따른, 이차전지시장의지속적확대 중국환경문제로인한전기자동차시장의급격한성장 리튬이차전지가격경쟁력확보에따른전지시장확대 박막 / 세라믹코팅등새로운형태의분리막제품수요증가 약점 (Weakness) 전문연구인력및개발인프라부족 이차전지로의적용평가및제품승인까지많은시간소요 중소업체제품에대한낮은신뢰도 원천기술관련특허분쟁소지우려위협 (Threat) 중국분리막소재업체의저가공세본격화 이차전지업체의분리막소재내재화가능성 이차전지발화사고로인한신규분리막소재채용에소극적 특히, 중국의자국이차전지업체보호를위한외국소재수입제한가능성 중소기업의시장대응전략 국내전지업체와의공동연구를통한신규분리막조기개발및양산화를통한시장확보 신제품조기개발및공급을통한중소전지업체시장지배력강화 169

174 에너지저장 이차전지분리막 핵심기술로드맵 170

175 전략제품현황분석 1. 개요 가. 정의및필요성 이차전지내두전극을격리시켜물리적접촉에의한전기적단락을차단하고, 미세기공내에담지된전해액을통해이온이두전극사이로이동할수있는통로를제공하는미세다공막 분리막은양극, 음극, 전해액 ( 또는전해질 ) 과함께이차전지 4대핵심소재로써, 주로 1um 이하의미세기공을갖는폴리올레핀계고분자막이상업적으로사용됨 이차전지내분리막의요구특성은 1) 양극과음극의물리적접촉을차단해내부단락을방지하고, 2) 전해액을담지하여이온이전극사이로전달될수있는통로를제공할뿐만아니라, 3) 전지조립시요구되는기계적강도도확보되어야하며, 4) 과충전, 내부단락등의이상구동시전지의안전성을확보하기위한높은열적안정성도요구됨 이차전지, 특히리튬이차전지용분리막은폴리올레핀계분리막이주로사용되고잇으며, 1um 이하의미세기공, 10~30um 수준의두께, 30~60% 수준의기공도, 100MPa 수준의인장강도등이주요물성치로알려져있음. 아래그림과같이불투명한박막다공성막으로, 이차전지크기에맞게 Slitting되어전지업체에공급됨 171

176 에너지저장 이차전지분리막 일차적으로 PE 의 Shut-down 특성과 PP 의다소높은내열특성을동시에활용하는제품이출시 되어적용되었음. Celgard 사의 PP/PE/PP 분리막이대표적인제품으로, PE 또는 PP 단독분리막 대비전지안전성이향상되는것으로보고됨 * 출처 : Celgard 홈페이지참조 [ Celgard사의 PP/PE/PP 다층분리막단면 ] 하지만, 폴리올레핀소재의내열한계는명확하기때문에, 내열성이우수한폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리아크릴로니트릴 (Polyacrylonitrile, PAN), 폴리이미드 (Polyimide, PI), 셀룰로오스 (Cellulose) 등과같은소재를방사하여부직포형태로사용하려는시도도진행되고있으나, 박막제조및균일한기공제어의어려움이있는상태임 전기자동차 (Electric Vehicles, EVs) 용리튬이차전지의경우, 150oC Hot Box 및내부단락등과같은오용평가 (Abuse Tolerance) 에서순수폴리올레핀분리막을채용한이차전지로는통과할수없기때문에, 분리막표면에실리카 (Silica, SiO 2 ) 나알루미나 (Alumina, Al 2 O 3 ) 등의무기물층을도입한코팅분리막을사용하여극복하고있음. 특히, LG화학의 Safety Reinforced Separator(SRS) 가대표적으로, 현재대부분의분리막회사가세라믹코팅층을포함하는분리막제품을생산및판매하고있음 * 출처 : [ LG 화학의 Safety Reinforced Separator(SRS) 세라믹코팅분리막단면 ] 172

177 전략제품현황분석 최근보고된다양한리튬이차전지안전성사고의원인은다양하지만, 분리막제품이전지안전 성확보에중요한소재중하나이며, 분리막의내열성, 균일도, 기계적강도등의물성향상을 통한전지안전성향상에기여함은명확함 2006년일본의학회장에서발생한 Dell 노트북발화사고는리튬이차전지의안전성이슈가부각된대표사고였음. 그후, 크고작은발화사고가존재했으나, 대부분크게부각된경우는매우제한적이었음 그러나, 2016년에는삼성 Galaxy Note 7의발화사고의원인으로, 분리막이지목되면서리튬이차전지안전성에핵심적인역할을수행하는소재로주목받게됨. 물론, 추가적인분석과정을통해, 전반적인전지설계나품질관리문제로원인이변경되었으나분리막의중요도는크게강조된사건이었음 더구나, TESLA Model S의충돌사고에이은발화와자체에서분리된이차전지팩이지속적으로폭발하는현상으로부터단위전지수준에서의안전성확보는필수적임이재차확인되고있는상황임 따라서, 이차전지분리막제품의역할이증대되고, 개발방향이가격도중요하지만이차전지제품의안전성에직결되는제품이므로이에대한요구특성을충분히만족시킬수있는제품개발이필요함 * 출처 : 등참조 [ 이차전지배터리발화사고예 ] 173

178 에너지저장 이차전지분리막 나. 범위 (1) 제품분류관점 습식법또는건식법으로제조된폴리올레핀계미세다공성단층또는다층분리막, 방사된섬유로제조되는부직포형분리막, 또는상기분리막이나부직포의적어도한면에고내열성물질이코팅된복합분리막을포함 건식법 (Dry) 으로제조된분리막폴리에틸레이나폴리프로필렌과같이결정성이높은폴리올레핀계고분자가원료로사용되며, 압출필름을저온에서연신, 라멜라결정계면에미세균열을발생시켜다공화하는방법임 습식법 (Wet) 으로제조된분리막고분자이외가소제나세라믹 Filler를혼합하여고온에서압출필름을제조한후, 냉각을통한상분리를유도하고가소제와세라믹을유기용매로추출 / 제거하여기공을만드는방식임 부직포 (Nonwoven) 형태로제조된분리막은방사된두개이상의실을서로교차시켜직물을만드는직포 (Woven) 와는다르게, 짧게잘린섬유를직조하지않고얇게펼쳐서만든필름이부직포임 [ 제품분류관점기술범위 ] 전략제품제품분류관점세부기술 건식법 ( 연신개공법 ) 압축필름을저온에서연신 라멜라결정계면에미세균열을발생시켜다공화 이차전지분리막 습식법 ( 상분리법후추출 ) 고분자와가소제를고온에서균일하게혼합한후냉각시키면서상분리유도 가소제를제거하여다공막을얻음 부직포형태분리막 짧게잘린섬유를직조하지않고얇게펼쳐서만든필름 리튬이차전지에적용이가능한수준으로두께와기공제어 174

179 전략제품현황분석 (2) 공급망관점 이차전지분리막은제품분류관점에서분리막소재및생산관점에서분류가능 SiO 2, Al 2 O 3, AlOOH 등세라믹입자를소량의바인더와혼합하여, 분리막원단의적어도한면에내열성을확보할수있는가장얇은두께로코팅하는것이필수적임. 폴리올레핀소재, 세라믹소재, 바인더소재등을막의특성에맞게개발기술이필요 전극의대면적화와장기신뢰성확보측면에서따른전극 / 분리막의물리적결착력확보가중요한이슈임. 이를위해, 기존폴리올레핀분리막원단표면에전극과결착력을부여할수있는접착고분자층형성기술이필수적임 [ 공급망관점기술범위 ] 전략제품공급망관점세부기술 이차전지분리막 분리막소재 분리막생산 폴리올레핀소재, 세라믹소재, 바인더 분리막원단생산, 코팅분리막생산 175

180 에너지저장 이차전지분리막 2. 산업환경분석 가. 산업특징및구조 (1) 산업의특징 이차전지및관련산업의특징은전기화학분야를바탕으로신소재 ( 물리, 화학, 금속등기초과학 ) 부터시스템 ( 전기, 전자, 기계등공학 ) 개발까지전 / 후방산업간유기적인연계가중요한대표적인융 / 복합산업임 모바일 IT 산업을넘어, 자동차, 신재생에너지, 전력산업을재탄생시킬융 / 복합화창조경제시대의신산업창출의핵심임 이차전지및관련산업의성장은후방산업의기술개발을유도하고, 전방산업의미래시장선점등산업장벽을뛰어넘는시너지효과가기대됨 * 자료 : 한국생산기술연구원설문조사결과 (2012 년 9 월 ) [ 이차전지전 / 후방산업구조 ] 특히, 국민생활향상측면에서대기환경을개선하기위한이산화탄소배출량저감에필수적인 500km이상주행할수있는전기자동차용이차전지개발이절심함 특히, 전기자동차 10만대를 1년간운행할경우이산화탄소연간배출량이약 45%, 99,500톤이감소될수있음 또한, 전기자동차 (EV) 뿐만아니라에너지저장시스템 (ESS), 웨이러블디바이스등신산업의급격한성장이예측됨에따라, 우리나라이차전지상업규모도현재의 5배이상으로확대될것으로전망됨 176

181 전략제품현황분석 EV 세계시장규모는 14년 216만대에서 17년 648만대로, 그리고 20년 963만대로증가될것으로예측 ESS 세계시장규모는 14년 5,875MWh에서 17년 7,573MWh로, 그리고 20년 9,158MWh로증가될것으로예측됨 웨어러블디바이스세계시장규모는 14년 14.8억불에서 17년 41.2억불로, 그리고 20년 114.7억불로증가될것으로예측됨 이와같은이차전지산업의특성및중요성을감안하며, 고성능그리고고안전성리튬이차전지개발에필수적인소재및생산기술확보가필수적임 고성능전극소재개발이가장기본적이나, 이를전지로제조하였을때성능과안전성높은제품으로이어지기위해서는전해액, 분리막, 바인더, 도전재등의소재및부품개발이선행되어야함 더구나, 이차전지의고에너지밀도화와고용량화가급속히진행됨에따라, 전지의안정성과안전성확보를위한고성능분리막소재개발이절실함 특히, 미래분리막은폴리올레핀소재뿐만아니라타내열고분자나세라믹코팅층을포함하며, 우수한공정및분석기술이동반되어야개발이가능한고난이도제품임 (2) 산업의구조 전방산업의파급효과가매우크기때문에, 이차전지소재특히분리막산업의지원이필수적 임. 현재, 일본의기술력과시장장악력, 그리고중국의저가화공세에위기에봉착해있어, 이 를극복할수있는신제품개발과국내전지업체와의상생협력이필수적임 [ 이차전지분리막분야산업구조 ] 후방산업이차전지분리막분야전방산업 고분자소재, 세라믹소재, 바인더용에멀젼소재, 계면활성제, 비수계용매등 폴리올레핀단층또는다층분리막, 세라믹코팅분리막, 내열고분자코팅분리막등 모바일 IT형이차전지, 전기자동차형 이차전지, 에너지저장시스템형이차 전지, 웨어러블 디바이스형 이차전 지 후방산업의경우품질도중요하지만, 대량생산을통한저가화가가능한기업이시장을선점하고있음 하지만, 이차전지시장이급속한성장이예상됨에따라, 분리막용고분자소재, 세라믹소재등의개발이본격화되고있음 바인더용에멀젼소재, 계면활성제등은사용량이많지않아, 중소기업에시장진입기회가존재하나이차전지에대한이해와분석기술확보없이는진입이어려운상황임 177

182 에너지저장 이차전지분리막 나. 경쟁환경 이차전지시장은국내와국외시장을구분할수없을만큼세계화되어있고, 한국, 일본, 중국의세나라중심으로형성되어있음 이차전지분리막소재는전지의안전성에중요한역할을하는만큼, 전지업체에서신제품적용에소극적임 또한, 성능및안전성뿐만아니라각업체에특화된공정에적용이가능한지, 장기신뢰성측면에서문제가없는지등을평가하기위한기간이오래걸림 그결과, 기존업체를능가하는특징이나저가화전략, 그리고장기평가에대응할수있는연구개발능력이중소 / 중견업체가확보할수있어야시장진입이가능함 대기업중심의시장지배력이강하지만, 이차전지품목이다양해지고시장이급속이성장됨에따라다양한분리막업체가등장하고경쟁하고있음 일본 Asahi Kasei E-Materials와 Toray BSF, 국내 SK 이노베이션, 그리고미국 Celgard ( 일본 Asahi Kasei사가 2015년 2월인수 ) 가시장을주도하고있으나, 국내 W-Scope Korea를필두로한중일 3국의분리막업체들이시장진입에성공, 그점유율을높이고있음 하지만, 신규투자에의한생산라인증설이마무리되고제품에대한표준화가진행되면, 가격경쟁력측면에서중소 / 중견기업이불리한입장에놓일수밖에없음. 이부분에대한전략수립및경쟁력확보를위한노력이지금부터시작되어야함 우리나라분리막업체의경우다양한중국분리막업체와의경쟁이더욱치열해질것임 일본분리막업체는첨단기술확보와규모의경제를모두달성한상황으로, 향후우리나라분리막업체와중국분리막업체간의시장확보및가격경쟁이본격적으로진행될것으로예상됨 특히, 중국정부의다양한무역장벽구축및자국업체보호정책시행이예상되는바, 국내분리막업체의대응전략도발빠르게마련되어야함 특히, 중국중심이아닌고객의다변화와특화된제품개발은중소 / 중견업체라도미룰수없는생존방정식으로판단되고있음 178

183 전략제품현황분석 [ 제품분류별경쟁자 ] 구분 경쟁환경 기술분류건식분리막습식분리막부직포분리막 주요품목및기술 셧다운특성이강화된다공성 코팅막 무기입자함유폴리올레핀미다공막, 미세다공성세라믹코팅분리막, 유무기입자코팅분리막 셀룰로오스나노섬유를포함하는이차전지용다공성분리막, 방사를통한고온 용융완전형배터리분리막 해외기업 Celgard ( 미국, 일본 Asahi Kasei 자회사 ), UBE( 일본 ), Shenzhen Senior Technology Materials ( 중국 ), Cangzhou Mingzhu Plastic ( 중국 ) Asahi Kasei E-Materials ( 일본 ), Toray BSF ( 일본 ), Entek ( 미국 ), Xinxiang Green ( 중국 ), Shenzhen Senior Technology Materials ( 중국 ), Cangzhou Mingzhu Plastic ( 중국 ) Litarion ( 독일 ), Nippon Kohdoshi ( 일본 ), Hirose Seishi ( 일본 ), Nippon Vilence ( 일본 ) 국내기업 씨에스텍, SKC, 엘지화학, 삼성 SDI SK 이노베이션, W-Scope Korea, 엘지화학, 삼성 SDI 웰크론, SK 이노베이션, 엘지화학, 삼성 SDI 179

184 에너지저장 이차전지분리막 다. 전후방산업환경 중국발이차전지수요의급증, 그리고세계각국의환경규제와 EV 및 ESS 보급정책에힘입어 2016년이차전지및관련산업환경은긍정적이었음 특히, 2015년까지의모든전기자동차 (xev) 용이차전지생산및판매용량의증가추이를보면, 향후이차전지및관련산업환경을예측할수있음 * 자료 : 한국생산기술연구원설문조사결과 (2012 년 9 월 ) [ xev 용리튬이온전지생산및판매데이터 ] 이차전지분리막과같은소재산업의경우 1) 내열성확보를위한내열코팅등의기술적향상요구와 2) 이차전지단가하락압력에대응하기위한저가화를동시에달성해야하는가혹한상황임 특히, 원료를공급하는후방업체의가격하락에는한계가있는만큼, 공정기술고도화와수율증대를통한수익성확보가절실한시점임 또한, 특정이차전지업체에최적화된제품개발을통한, 안정적인시장확보가필수적임 동시에이차전지고객다변화를통한, 각국정책변화나무역규제등에대응할수있는전략수립이필요한상황임 한편, 중국에존재하는다양한분리막업체와의경쟁에서살아남기위해서는, 분리막품질이확보되어야함. 특히, 특정이차전지업체에특화된제품개발도안정적인매출을올리기위해필수적임 180

185 전략제품현황분석 3. 시장환경분석 가. 세계시장 2014년전세계이차전지분리막시장은금액으로 12.2억불, 수량으로는 2.47억m2에해당함. 시장규모는꾸준히상승하고있으며, 2015년 14.34억불, 2016년 16.02억불이예상되고있음 이차전지분리막소재의국가별시장점유율은아래표와같으며, 2014년기준으로한국은 18,8% 의시장점유율을달성하고있으며전년대비소폭상승했음 [ 이차전지분리막소재국가별시장점유율 ] 구분 2010 년 2011 년 2012 년 2013 년 2014 년 한국 13.3% 16.5% 16.5% 16.6% 18.8% 중국 13.1% 9.5% 13.8% 18.7% 22.8% 일본 56.7% 55.0% 54.2% 51.2% 46.5% 기타 16.9% 19.0% 15.5% 13.4% 11.9% * 자료 : B3 2014sus 3 분기재료시장보고서, 한국수출입은행 (2014) [ 리튬이차전지분리막의세계시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) 세계시장 * 자료 : B3 2014sus 3 분기재료시장보고서, 한국수출입은행 (2014) 이차전지분리막세계시장은 4~5개의업체가주도하고있으며, 다수의업체가추격하고있는양상임 시장점유율 1위업체는일본의 Asahi Kasei E-Materials로 2014년기준으로금액은 2.85억불, 수량은 1.72억m2 수준임. 특히, 2015년미국 Celgard사를인수하면서, 건식분리막시장까지영역을넓히고있음 세계 2위는우리나라 SK이노베이션으로 2014년기준으로금액은 1.83억불, 수량은 1.20억m2를달성함. 3, 4위업체로는일본의 Toray BSF사와미국의 Celgard사로각각 1.52억불 /0.90억m2 와 1.25억불 /0.90억m2 수준임 181

186 에너지저장 이차전지분리막 특히, 중국분리막업체의약진이눈에띄는데, 대표적으로 Xinxiang Green 과 Shenzhen Senior 의물량이 2012 년대비 2014 년에크게증가한것으로확인됨. 하지만, 물량대비매출액이상대 적으로낮아저가제품중심의시장점유율을높이고있는것으로판단됨 [ 이차전지분리막소재업체별금액기준시장점유율 ] 구분 2012 년 2013 년 2014 년 ( 단위 : 억달러 ) Asahi Kasei E-Materials SK 이노베이션 Toray BSF Celgard Sumitomo Chemical Xinxiang Green UBE Shenzhen Senior W-SCOPE Korea 기타 Total * 자료 : Yano 경제리서치자료,

187 전략제품현황분석 [ 이차전지분리막소재업체별수량기준시장점유율 ] 구분 2012 년 2013 년 2014 년 ( 단위 : 억 m 2 ) Asahi Kasei E-Materials SK 이노베이션 Toray BSF Celgard Sumitomo Chemical Xinxiang Green UBE Shenzhen Senior W-SCOPE Korea 기타 Total * 자료 : Yano 경제리서치자료, 2015 Asahi Kasei E-Materials는습식분리막및세라믹코팅분리막을주로취급하고있음. 동사는일본의시가현모리야마시와미야자키현휴가시에공장이있으며, 총생산능력은연간 2억 5,500만m 2 수준임 한국과중국에슬릿가공거점을마련하여다양한셀사이즈에신속하게대응가능한체제를구축했으며, 2015년 2월약 2600억엔을투자하여미국 Polypore사의인수를결정하였음 Polypore사의건식분리막기술을토대로향후 EV용이차전지시장에서경쟁력을강화하는것을목표로하고있으며, 동사는세라믹코팅분리막사업을진행하고있으며유계슬러리베이스코팅분리막을양산하고있다고알려져있음 Toray BSF사의생산거점은나스본사, 공장 ( 도치기현 ) 은주공장의역할을담당하고있으며, 한국구미공장은 2012년에생산능력을증강하여 2014년연간 4,000만m 2 의생산능력을보유하고있음 주력제품은 PE 단층분리막이며, 동사는고객니즈에대응하기위해박막화도추진하고있음 183

188 에너지저장 이차전지분리막 Ube Industry사는생산의메인거점야마구치현외에사카이공장을 2013년 5월부터새롭게가동하고있음 2014년동사의분리막생산능력은연간 2억m 2 수준이며, 교토부오토쿠니군에있는우베막셀공장은건식3층분리막에무기물코팅층을형성하는공정을담당하고있음 향후, 우베막셀공장에추가투자할계획이며, 연간 5,000만m 2 수준의생산체제를구축할계획임. 또한, 동사의코팅분리막에는코팅층및원단의구조에특수처리를실시하여저항이높아지지않는것이특징이며, 코팅층형성에는히타치막셀사가자기테이프등의사업분야에서쌓아온분산도포기술이적용되고있음 중국 Xinxiang Green사는건식 PP 및습식 PE 단층분리막을취급하고있으며, 중국신샹시에기존공장과신공장을보유하고있음 14개의건식분리막라인을보유하고있으며, 생산능력은 1억 2000만m 2 임. 2014년부터건식, 습식, 세라믹코팅라인을증설했으며, 중국메이저이차전지업체의하이엔드고용량전지를목표로하고있음 Shenzen Senior사는건식 PP와습식 PE 단층분리막을취급하고있으며, 2014년 LG화학에대한공급량증가에힘입어해외이차전지업체로의출하비율이 40% 로확대된것으로파악됨 동사는안정성강화를도모하는고객을대상으로건식분리막코팅제품을일부출하하고있음 Foshan Yingbai사는건식분리박에주력하고있고 2013년에설립되어 2014년 2300만m 2 를출하하면서주목받고있음. 중국포산에두개의공장을보유하고있으며, 한곳은분리막공장, 다른한곳은코팅공장임. 독자적으로개발한세라믹코팅분리막과 4층복합분리막 (Al2O3/Shut-down Layer/PP/Al2O3의 4층구조 ) 가특징적임. PP 단층분리막은단면및양면코팅이가능함 이와같이, 기존분리막업체뿐만아니라다양한신규업체가진입하면서, 업체간경쟁이매우치열해지고있음. 특히, 중국업체는저가화를기본장착하고, 타분리막업체와는차별화된제품개발에도매진하고있음. 따라서, 우리나라분리막업체도차별화전략과저가과전략을동시에구축해야되는상황임 184

189 전략제품현황분석 나. 국내시장 이차전지업체의세계화에따라, 분리막국내시장을명확히규정하기가쉽지않음. 특히, 국내이차전지업체도중국이나말레이시아같은현지생산공장을보유하고있고, Tonen BSF와 Teijin 같은외국분리막업체의공장도국내에서운영되어생산된분리막제품을국내이차전지업체에공급하고있는상황임 2014년기준으로 SK이노베이션과 W-Scope Korea의시장점유율을금액과수량으로환산하면, 각각 2.28억불과 1.62억m2에해당됨 [ 이차전지분리막의국내시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 억원, %) CAGR ('13~'15) 국내시장 4,358 5,448 6,810 8,512 10,640 13, * 자료 : B3 2014sus 3 분기재료시장보고서, 한국수출입은행 (2014) SK 이노베이션에서는 PE 단층분리막과세라믹코팅분리막을취급하고있음 2014년에는주요고객을중심으로수요가증가하면서전년대비 120%, 1억 2000만m 2 의출하를기록한것으로알려져있음 최근이차전지의안정성을강화하기위해세라믹코팅분리막에대한수요에대응하여세라믹코팅분리막출하비율도 10% 정도상승한경향을보이는것으로보고됨 W-Scope Korea는충북오창에 6개의 PE 단층분리막생산라인과 2개의세라믹코팅분리막생산라인을보유하고있음 2014년생산능력은연간 1억m 2 을보유하고있으며, 세라믹코팅에관해서는수계슬러리를바탕으로하는세라믹코팅분리막을생산, 국내외리튬이차전지제조업체에납품하고있음 기타국내분리막업체로는건식분리막을제조하는씨에스텍과 SKC, 습식분리막을제조하는 Celgard Korea, 그리고부직포를생산하는웰크론등이있으나생산량이많지않음 반면, 국내이차전지업체를겨냥해서, 일본의 Tonen BSF와 Teijin사의생산라인이국내에위치하고있음 185

190 에너지저장 이차전지분리막 다. 무역현황 이차전지분리막기술관련품목의무역현황을살펴보았으며, 수출량에비하여수입량이감소하는추세 이차전지분리막기술의수출현황은 11년 1억 8,116만달러에서 15년 3억 1,516만달러수준으로증가하였으며, 수입현황은 11년 1억 6,030만달러에서 15년 1억 3,820만달러수준으로감소하여무역수지흑자폭이대폭증가 최근 5년 ( 11~ 15년) 간연평균성장률을살펴보면수출금액은 13.8% 로증가하였으며, 수입금액은 3.6% 로감소하여전체무역수지는 58.8% 증가한것으로나타남 무역특화지수는 11년(0.08) 부터 15년(0.39) 까지증가한것으로나타나점차수출특화상태로국내기업의수출량이증가하고있는것으로나타났으며, 국내의이차전지분리막제품의해외시장진출이활발하게이루어지고있는것으로분석 [ 이차전지분리막관련무역현황 ] 구분 ( 단위 : 천 $) CAGR ('11~'15) 수출금액 188, , , , , % 수입금액 160, , , , , % 무역수지 27, , , , , % 무역특화지수 * * 무역특화지수 = ( 상품의총수출액 - 총수입액 )/( 총수출액 + 총수입액 ) 으로산출되며, 지수가 0 인경우비교우위는중간정도이며, 1 이면완전수출특화상태를말함. 지수가 -1 이면완전수입특화상태로수출물량이전혀없을뿐만아니라수입만한다는뜻 * 자료 : 관세청수출입무역통계 HS-Code(6 자리기준 ) 활용 186

191 전략제품현황분석 4. 기술환경분석 가. 기술개발트렌드 중대형이차전지용분리막개발중요성 중대형리튬이차전지는전지구동중과충전, 고온노출, 외부단락, 외부충격으로인해과열발화가능성이존재하기때문에이러한위험성을개선하기위한노력으로고내열분리막개발및적용을중심으로진행되고있음 또한장기구동으로인한전지의지속적인부피변화및불균일한열화에의한전극 / 분리막계면의물리적인탈리현상이발생할수있어, 물리적접착을부여할수있는고분자코팅을분리막에적용하여전극과일체화시키는연구도진행되고있음 내열성확보를위한세라믹코팅 내열유무기소재를폴리올레핀분리막에도입하는기술은현재 LG화학이원천기술을보유하고있으며, 현재는대부분의경쟁사가유사기술을보유하고있음 세라믹코팅은분리막표면에무기물 (Al2O3, SiO2 등 )/ 바인더 (PVdF, PVdF-HFP 등 )/ 유기용매 (Acetone, Ethanol 등 ) 로구성된슬러리를코팅한후건조하여도입됨. 그러나, 상기의세라믹층이도입되면, 전지저항이증가하거나세라믹입자에흡착된수분에의한장기신뢰성저하문제가존재함. 따라서, 이를최소화할수있는세라믹슬러리조성및제조공정개발이필수적임. 또한, 추가코팅공정에따른분리막단가상승이수반되기때문에, 비수계보다는수계공정을기반으로한세라믹코팅분리막개발이요구되고있음. 한편, 제조된세라믹코팅분리막은보관시에도수분흡착을적절히제어해야하는문제점이존재하므로, 기존플라스틱외장재가아닌금속다층구조외장재가필요하다는문제점도존재함 따라서, 가격상승을최소화하면서도, 기존폴리올레핀분리막의내열성을크게향상시킬수있는세라믹코팅층이도입된분리막개발이활발히진행되고있음 전극 / 분리막밀착용고분자코팅층 중대형이차전지는고용량화되고 10년이상의장수명을요구됨에따라, 전지설계및제조단계부터신뢰성확보가매우중요함 특히, 대면적인전극과분리막을다층구조로중대형전지를제조하게되면, 전극 / 분리막계면을일정하게유지시키기어려움. 그결과, 장기구동시전지의지속적인부피변화와불균일한열화에의한전극 / 분리막계면의물리적인탈리가발생할수있음 187

192 에너지저장 이차전지분리막 이러한전극 / 분리막계면의물리적밀착을위하여분리막표면에접착성을부여할수있는고분자 코팅제품에대한요구가시급함 [ 이차전지장기구동에따른전극 / 분리막간탈리현상 ] 가격경쟁력확보를위한내열층도입기술 수계슬러리제조및코팅은유기용매기반슬러리보다경제적이며, 친환경적이어서추가적인용매회수장치및방폭설비가불필요하므로원가를크게절감시킬수있는장점이있음 수계슬러리코팅을위해수계슬러리에소량의계면활성제를첨가하거나, 플라즈마또는친수성을띄는고분자를분리막에도입하여그표면을친수성으로개질시킴 수계바인더로는 SBR(Styrene Butadiene Rubber), CMC(Carboxy Methyl Cellulose), PAA(Polyacrylic Acid) 등과같은바인더들이사용되고있음 내열고분자코팅은내열성을확보하면서도세라믹사용을배제함으로써코팅공정을단순화할수있고단가상승을어려움을해소할수있음 대표적인상용화된제품은 Teijin의 LIELSORT A가있으며분리막표면에 Meta-Aramide를코팅하여제조됨 또한수 ~ 수십나노미터두께의친수성폴리도파민 (Polydopamine) 과구형입자형태를갖는폴리이미드 (Polyimide) 가내열성고분자로서연구되고있음 증착법을이용한세라믹코팅분리막은바인더와용매를사용하지않으며나노미터수준의세라믹층을도입할수있는장점이있음 188

193 전략제품현황분석 나. 주요업체별기술개발동향 (1) 해외업체동향 세계 1위분리막업체인 Asahi Kasei E-Materials는 2015년 2월건식분리막세계 1위업체인 Celgard를인수함으로써, 습식, 건식, 그리고세라믹코팅분리막의모든종류의분리막을생산할수있는기업으로변모함 이를통한시장지배력이더욱강화될것으로예상되며특히, 세라믹코팅분리막을유계슬러리베이스코팅분리막을양산하고있다고알려져있음 Toray BSF는습식다층분리막은특수폴리올레핀계수지를기본재료로사용하는다층구조이며, 이외에세라믹코팅분리막, 고내열수지코팅분리막, 건식분리막, 다공질아라미드필름은개발중에있음 중국분리막업체의경우건식분리막중심으로제품개발및생산을시작하였으나, 습식분리막뿐만아니라세라믹코팅분리막도생산할수있는역량을갖추고있음 중국 Xinxiang Green사는신제품으로 12μm두께의세라믹코팅분리막 ( 원단 9μm + 세라믹코팅 3μm ) 를개발하고있음. 코팅은자사에서하고있으며단면, 양면코팅모두대응가능함 Shenzen Senior사의주력제품은 SD시리즈와 SH2시리즈로서, SH2 시리즈는 SD시리즈분리막표면에세라믹코팅을하여 180 고내열성을갖춘전기자동차용분리막임. 단면, 양면모두대응가능하며코팅층의두께는 ±2.5μm임. 향후에는습식분리막고분자코팅제품등의개발을추진할계획으로알려져있음 건식분리막은미국의 Celgard사, 일본의 UBE사, 중국의 Shenzhen Senior Technology Materials, Cangzhou Mingzhu Plastic사등에서생산하고있음. 단층제품도있지만, 다층구조의제품이주력을이루고있음 습식법은세계 1위분리막업체인일본 Asahi Kasei E-materials사, 일본 Toray Tonen사, 다수의중국분리막업체에서채용하고있음 Evonik사의 Separion 분리막 ( 현재 Litarion이라는기업으로이전 ) 과이대표적으로, 부직포나폴리올레핀분리막원단에세라믹층이추가로도입된분리막생산 [ 세라믹층이도입된 Evonik 사의 Separion 내열분리막 ] 189

194 에너지저장 이차전지분리막 (2) 국내업체동향 SK 이노베이션은시장지배력강화를위한증설을진행하고있으며, 세라믹코팅제품에대한기술개발도지속적으로진행하고있음 세라믹코팅분리막은 14μm까지제품생산라인을갖추고있으며, 독자적인세라믹코팅분리막기술의향상과차세대분리막연구개발에주력하고있음 특히, SK 이노베이션내전지사업부와공동연구를통한중대형이차전지에적합한제품개발에유리한측면이있다고알려져있음 W-Scope Korea는습식분리막생산에집중하면서도, 박막화와세라믹코팅분리막에특화된기술을보유하고있음 특히, 세라믹코팅을주력으로하고있고코팅층의두께는 2~6μm까지다양하며, 현재는 3μm두께에대한수요가가장많음 또한, 전극접착코팅에대해서도국내외고객의수요가높다는점을파악하고이에대한기술개발을검토하고있음 고급공정장비의해외의존도가높은편이고, 장비제작의경우특정업체에서개발및제작하여설치하는수준으로매우산발적이고지엽적인개발에의해오랜투자기간에비교하여장비기반낙후 다. 기술인프라현황 국내분리막강소기업인 W-Scope Korea는 1) 미국 A123, 중국중소 / 중견전지업체, 국내중소 / 중견업체등다양한고객을확보하고있으며, 2) 빠른기술개발과설비투자로특화된제품을보유함으로써세계분리막시장에서 10위권내에위치하고있음 특히, 정부기술개발과제나국내이차전지업체와의공동연구를통해, 차세대분리막개발및양산화를신속히진행하여시장확대가가능했음 따라서, 분리막시장이중소업체가경쟁력을갖추기쉬운분야는아니지만, 특정이차전지업체에특화된제품개발과빠른공급이이뤄질수있다면경쟁력확보가가능할것임. 하지만, 일정규모이상의생산규모를갖추기위해서, 적절한시기에설비투자를유치하는것이필요 이차전지소재부품관련핵심연구인력확보및특허전략수립시급 세계최고기술보유국대비 4~7년의기술격차로전반적으로논문과특허의양적성과를제외하고는기술수준이낮은실정임 최근이차전지가미래신성장동력으로각광을받고있으나, 핵심기술개발을위한석 박사급 R&D 전문인력은부족한상황 이차전지의초기시장을창출할수있도록보조금, 세제혜택등의인센티브제공에대한정부차원의적극적의지필요 190

195 전략제품현황분석 라. 특허동향분석 (1) 연도별출원동향 이차전지분리막기술의지난 7년 ( 10~ 16) 간출원동향 17) 을살펴보면연도별로출원경향이증가, 감소하고있음 각국가별로살펴보면일본과한국은출원경향은 13년이후고감소하는경향을보이고있으며, 미국은증가와감소를반복하다감소하는추세, 유럽은유지하는경향을보이고있음 국가별출원비중을살펴보면일본이 35.7% 로최대출원국으로이차전지분리막기술을리드하고있는것으로나타났으며, 한국이 25.3%, 미국이 29.5% 의출원비중을보이고있음 [ 이차전지분리막분야연도별출원동향 ] 17) 특허출원후 1 년 6 개월이경과하여야공개되는특허제도의특성상실제출원이이루어졌으나아직공개되지않은미 공개데이터가존재하여 2015, 2016 년데이터가적게나타나는것에대하여유의해야함 191

196 에너지저장 이차전지분리막 (2) 국가별출원현황 한국의출원현황을살펴보면 13년이후출원이감소하는경향을보이고있으며, 외국인의출원이점차감소 외국인의출원감소현상이두드러지는이유를살펴보면이차전지분리막기술의국내시장에대한외국인의선호도가감소하고있는것으로추정 일본의출원현황은 13년을기점으로감소추세에서증가추세로변화하였으며, 출원인대부분이자국출원으로일본내의기술력이우수한것으로추정 미국의출원현황은지속적으로증가하다감소하고있는추세를보이고있으며, 출원인대부분이외국인이며, 유럽은자국인의출원이미미 [ 국가별출원현황 ] 192

197 전략제품현황분석 (3) 투입기술및융합성분석 이차전지분리막분야의투입기술을확인하기위하여특허분류코드인 IPC Code 18) 를통하여살펴본결과이차전지분리막분야의가장높은 IPC는 H01M 기술분야가 5950건으로가장많이차지하고있으며, 이어서 C08J가 67건, B32B가 65건으로다수를차지 이외에 G01R, H02J, D04H, H01G, D01D 순으로기술이투입되어있어이차전지분리막분야에다양한기술이융합되어존재 더불어해당 IPC의특허인용수명을살펴보면 B21D 기술분야의수명이 10년으로가장긴것으로나타났으며, C23C 기술분야는 7년으로가장짧은것으로분석 [ 이차전지분리막분야상위투입기술 ] IPC 기술내용특허인용수명 (TCT) 19) H01M 화학적에너지전기적에너지직접변환하기위한방법또는수단 8 년 C08J 마무리 ; 일반적혼합방법 ; 서브클래스 C08B, C08C, C08F, C08G 또는 C08H 에포함되지않는후처리 7 년 B32B 적층체, 즉평평하거나평평하지않은형상 8 년 G01R 전기변량의측정 ; 자기변량의측정 7 년 H02J 전력급전또는전력배전을위한방식 ; 전기에너지축적하기위한방식 7 년 D04H 직물의제조 9 년 H01G 콘덴서 ; 전해용콘덴서, 정류기, 검파기, 개폐장치감광장치또는감온장치 7 년 D01D 방적용섬유나필라멘트를채취하기위한천연의섬유상또는필라멘트상물질의화학적또는생물학적처리 ; 동물섬유재생을위한넝마털부스러기의탄화 9 년 C08F 탄소 - 탄소불포화결합만이관여하는반응으로얻어지는고분자화합물 9 년 C08L 고분자화합물의조성물 8 년 18) 전세계적으로통용되고있는국제특허분류 (IPC: International Patent Classification) 를통해특허정보기술분야에서공지기술을조사할수있으며, 기술및권리정보에용이하게접근가능 19) 특허인용수명지수는후방인용 (Backward Citation) 에기반한특허인용수명의평균, Q1, Q2( 중앙값 ), Q3 에대한통계값을제시함. 특히이와같이산출된 Q2 는 TCT(Technology Cycle Time, 기술순환주기또는기술수명주기 ) 라고부름 193

198 에너지저장 이차전지분리막 투입기술이가능많은 H01M 분야와융합이높게이루어진기술은 B32B 분야로나타났으며, C08J, D04H 분야와도나타남 이외에 C08J 분야와융합된기술은 C08G, B21B, C08L 분야와융합된기술이많은것으로나타났으며, B32B 분야와융합된기술은 H01M, C08J, C08L 기술로분석 [ 이차전지분리막분야 IPC 기술및융합성 ] (4) 주요출원인분석 세계주요출원인을살펴보면주로일본의출원인이다수의특허를보유하고있는것으로나타났으며, 소재, 자동차분야의출원인이대부분 주요일본출원인을살펴보면 MITSUBISHI PAPER MILLS, TEIJIN, SUMITOMO CHEMICAL, TORAY BATTERYPARATOR FILM, HITACHI MAXELL 등소재기업이다수출원을하고있는것으로나타났으며, TOYOTA MOTOR, NISSAN MOTOR 는자동차분야기업도다수출원하고있었음. 이들일본출원인은주로일본본국에출원건수가높은것으로나타남 한국출원인으로는엘지화학과삼성SDI 2개기업이상위출원인으로나타나이차전지분리막관련기술을다수보유 194

199 전략제품현황분석 가장많은특허를보유하고있는엘지화학의 3극패밀리수가 203건으로다국적으로시장을확보하며출원을하고있는것으로보이며, 삼성SDI도 117건으로다국적시장을확보 엘지화학이확보한특허의피인용지수가 1.34로가장높게나타나기술의파급성이높은원천기술을다수보유하고있는것으로분석됨 [ 주요출원인의출원현황 ] 주요출원인 국가 주요 IP시장국 ( 건수 %) 한국미국일본유럽 IP시장국종합 3극패밀리수 ( 건 ) 피인용지수 주력기술분야 엘지화학 한국 % 17% 14% 10% 한국 유기 / 무기복합분리막 삼성 SDI 한국 % 38% 11% 18% 일본 다공성무기코팅분리막 MITSUBISHI PAPER MILLS 일본 % 2% 97% 2% 일본 리튬이온이차전지세퍼레이터 TEIJIN 일본 % 24% 53% 4% 일본 비수계이차전지용세퍼레이터 SUMITOMO CHEMICAL 일본 % 23% 41% 2% 일본 10 0 비수전해액이차전지용적층세퍼레이터 TOYOTA MOTOR 일본 % 22% 58% 2% 일본 비수전해질이차전지용세퍼레이터 SONY 일본 % 41% 44% 3% 일본 비수전해질이차전지용세퍼레이터 NISSAN MOTOR 일본 % 23% 42% 14% 일본 내열절연층형성세퍼레이터 TORAY BATTERYPARATOR FILM 일본 % 49% 35% 16% 미국 복합다공질전지용세퍼레이터 HITACHI MAXELL 일본 % 10% 79% 3% 일본 전지용세퍼레이터 195

200 에너지저장 이차전지분리막 (5) 국내출원인동향 국내출원인동향을살펴보면대기업은엘지화학의출원건수가가장높게나타났으며, 중소기업에서는톱텍의출원건수가높게나타남 대기업의주요출원인은엘지화학, 삼성SDI, SK이노베이션, 한화토탈등이있으며, 중소기업의주요출원인은톱텍, 아모그린텍, 에프티이앤이, 비츠로셀, 더블유스코프코리아, 뉴로엘리싯등이주요출원인인것으로나타남 기업이외의주요출원인을살펴보면한국생산기술연구원, 전자부품연구원, 한국과학기술연구원, 국립산림과학원등연구소 / 공공기관의출원이다수나타났으며, 대학은성균관대학교, 한양대학교, 울산과학기술원의출원이높은것으로분석됨 [ 국내주요출원인의출원현황 ] 196

201 전략제품현황분석 5. 중소기업환경 가. 중소기업경쟁력 이차전지분리막분야의중소기업경쟁력은기술분류별로차이가있으나이차전지분리막기술은중소기업이다수참여하여시장에서의역할이큰분야로나타났음. 대기업의이차전지수요의증가로이차전지분리막의중소기업에대한기술수요가증가함에따라중소기업의경쟁력이높은것으로분석됨 [ 이차전지분리막분야중소기업현황 ] 기술분류주요기술대기업중소기업 중소기업 참여영역 중소기업 참여정도 건식분리막 압축필름을저온에서연신, 라멜라결정계면에미세균열을발생시켜다공화 SKC, 엘지화학, 삼성 SDI, SK 이노베이션, 한화토탈, 현대자동차 씨에스텍, 톱텍, 아모그린텍, 비츠로셀 셧다운특성이강화된다공성코팅막 습식분리막 가소제나세라믹 Filler 를혼합하여고온에서압출필름을제조, 상분리를유도, 가소제와세라믹을유기용매로추출 / 제거후기공생성 SK 이노베이션, 엘지화학, 삼성 SDI, 한화토탈, 현대자동차 W-Scope Korea, 씨에스텍, 톱텍, 아모그린텍, 비츠로셀 무기입자함유폴리올레핀미다공막, 미세다공성세라믹코팅분리막, 유무기입자코팅분리막 부직포분리막 리튬이차전지에적용이가능한수준으로두께와기공제어 SK 이노베이션, 엘지화학, 삼성 SDI, 한화토탈, 현대자동차 웰크론, 씨에스텍, 톱텍, 아모그린텍, 비츠로셀 셀룰로오스나노섬유를포함하는이차전지용다공성분리막, 방사를통한고온용융완전형배터리분리막 * 중소기업참여정도와점유율은주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 를고려하여 5 단계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 197

202 에너지저장 이차전지분리막 나. 중소기업기술수요 이차전지분리막분야의중소기업의기술수요를파악하기위하여중소기업기술수요조사및중소기업청 R&D신청과제 (2013~2015 년 ) 를분석한결과아래표의내용과같은수요들이다수있는것으로분석 이차전지분리막분야중소기업은최근에전기자동차용이차전지분리막개발및응용기술과관련된기술개발에수요가있는것으로나타났음. 이는전기자동차개발의응용기술부분에서고안전성분리막의수요가증가하고있으며, 중소기업이접근하기에기술장벽이낮으므로분리막을개발하는기업이증가하고있는추세인것으로분석됨 [ 이차전지분리막분야과제신청현황및수요조사결과 ] 전략제품기술분류관심기술 건식분리막 전기자동차용고출력차세대리튬설퍼배터리분리막개발 이차전지분리막 습식분리막 전기자동차용고출력차세대리튬설퍼배터리분리막개발고내열성 PTFE 를이용한중대형 2 차전지용분리막국산화개발차세대리튬이온 2 차전지용 10-3 S/cm 급고체전해질소재개발리튬이차전지용고내열성코팅분리막의개발 부직포분리막 전기자동차용고출력차세대리튬설퍼배터리분리막개발리튬이차전지용고내열성코팅분리막의개발 198

203 전략제품현황분석 다. 중소기업핵심기술 (1) 데이터기반요소기술발굴 이차전지분리막기술의특허및논문데이터검색을통해도출된유효데이터를대상으로데이터마이닝기법 (Scientometrics 기법 ) 을통해클러스터링된키워드의연관성을바탕으로요소기술후보군을도출 이차전지분리막기술의특허및논문유효데이터를기반으로키워드클러스터링을통하여 12개의요소기술후보군을도출 제품별 dataset 구축 : 이차전지분리막기술관련특허 / 논문데이터를추출하여노이즈제거후제품별 dataset 구축 1차클러스터링 : 키워드맵을통한고빈도키워드확인-빈도수 (tf-idf) 20) 가상위 30% 에해당하는키워드를대상으로 1차추출 2차클러스터링 : 1차클러스터링에서추출된고빈도키워드사이에서고연관도키워드를 2차추출 ( 고연관도기준은연관도수치 21) 가 2이상인클러스터로제한 ) 다음그림은키워드간연관네트워크를시각화한것으로, 각키워드를나타내는원과키워드간의연관도를나타내는직선으로구성 각키워드가특허와논문중어느데이터에서도출되었는지원의색으로구분하였으며, 키워드로도출된클러스터는황색음영으로표시 키워드를나타내는원은고빈도의키워드일수록원의크기가크게표현되며, 연관도를나타내는선은키워드사이의연관도수치가높을수록굵게표현 이차전지분리막기술전략제품의특허 논문유효데이터에대하여키워드클러스터링결과를기반으로요소기술도출 데이터기반의요소기술도출은키워드클러스터링을통해도출된요소기술에대하여전문가의검증및조정을통하여요소기술을도출 20) 빈도수 (tf-idf) : 각키워드가출현되는특허또는논문수를의미 21) 연관도수치 : 두개이상의키워드사이의특허또는논문수를의미 199

204 에너지저장 이차전지분리막 [ 이차전지분리막분야키워드클러스터링 ] [ 이차전지분리막분야주요키워드및관련문헌 ] No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 01 ceramic coating, porous separator 4~7 1. Use of a ceramic separator in lithium ion batteries, comprising an electrolyte containing ionic fluids 2. A rechargeable lithium air battery using a lithium ion-conducting lanthanum lithium titanate ceramics as an electrolyte separator 3. Thin, flexible and thermally stable ceramic membranes as separator for lithium-ion batteries 클러스터 02 organic/ inorganic coating 5~7 1. An inorganic membrane as a separator for lithium-ion battery 2. An advanced lithium ion battery based on high performance electrode materials 3. An advanced lithium ion battery based on high performance electrode materials 200

205 전략제품현황분석 No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 03 high stability, porous separator 4~8 1. Enhanced wetting properties of a polypropylene separator for a lithium-ion battery by hyperthermal hydrogen induced cross-linking of poly (ethylene oxide) 클러스터 04 electrospinning, separator 4~8 1. A novel polyethylene terephthalate nonwoven separator based on electrospinning technique for lithium ion battery 2. Electrospun polyimide nanofiber-based nonwoven separators for lithium-ion batteries 클러스터 05 fine porous film, extruding 4 1. PVDF-HFP/ether-modified polysiloxane membranes obtained via airbrush spraying as active separators for application in lithium ion batteries 2. Thermomechanical analysis and durability of commercial micro-porous polymer Li-ion battery separators 클러스터 06 Nanometer, deposition 4~7 1. Improved Functionality of Lithium Ion Batteries Enabled by Atomic Layer Deposition on the Porous Microstructure of Polymer Separators and Coating Electrodes 2. Nano SiO2 particle formation and deposition on polypropylene separators for lithium-ion batteries 클러스터 07 Complex nonwoven fabric separator 4 1. Composite nonwoven separator for lithium-ion battery: Development and characterization 2. A novel polyethylene terephthalate nonwoven separator based on electrospinning technique for lithium ion battery 클러스터 08 cellulose nanofiber 4~7 1. Renewable and superior thermal-resistant cellulose-based composite nonwoven as lithium-ion battery separator 2. Colloidal silica nanoparticle-assisted structural control of cellulose nanofiber paper separators for lithium-ion batteries 클러스터 09 Nano-structure control 4 1. Recent developments in nanostructured anode materials for rechargeable lithium-ion batteries 2. Nitrogen doped porous carbon nanofiber webs as anodes for lithium ion batteries with a superhigh capacity and rate capability 201

206 에너지저장 이차전지분리막 [ 이차전지분리막분야데이터기반요소기술 ] No 요소기술명키워드 요소기술 01 리튬이차전지세라믹코팅분리막용무기나노입자및고접착바인더개발 Ceramic Coating, Inorganic nano particle 요소기술 02 증착법을이용한나노미터수준의세라믹코팅분리막제조기술 Nanometer, deposition 요소기술 03 유기계전해질의젖음특성향상을위한폴리올레핀분리막 표면처리기술 polyolefin-based porous polymer, wettability 요소기술 04 리튬이차전지용무기산화물코팅유 / 무기복합분리막제조기술개발 Organic/inorganic composite coating 요소기술 05 리튬금속전극의덴드라이트형성억제를위한분리막개발 dendrite, separation 요소기술 06 전기방사법을이용하여나노섬유부직포복합분리막제조기술개발 electrospinning, ultrafine fibrous separation 요소기술 07 용융압출및연신공정의최적화를통한분리막제조 fine porous film, extruding 요소기술 08 분리막다공구조제어기술 porous film, control 202

207 전략제품현황분석 (2) 요소기술도출 산업 시장분석, 기술 ( 특허 ) 분석, 전문가의견, 타부처로드맵, 중소기업기술수요를바탕으로로드맵기획을위하여요소기술도출 요소기술을대상으로전문가를통해기술의범위, 요소기술간중복성등을조정 검토하여최종요소기술명확정 [ 이차전지분리막분야요소기술도출 ] 분류요소기술출처 유 / 무기복합코팅다공성분리막 리튬이차전지세라믹코팅분리막용무기나노입자및고접착바인더개발증착법을이용한나노미터수준의세라믹코팅분리막제조기술리튬이차전지용무기산화물코팅유 / 무기복합분리막제조기술개발 특허 / 논문클러스터링 기술 / 시장분석, 기술수요, 특허 / 논문클러스터링, 전문가추천 기술 / 시장분석, 기술수요, 전문가추천 폴리올레핀계분리막 유기계전해질의젖음특성향상을위한폴리올레핀분리막 표면처리기술 용융압출및연신공정의최적화를통한분리막제조 기술수요, 특허 / 논문클러스터링 기술 / 시장분석, 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 부직포형태분리막 분리막다공구조제어기술 전기방사법을이용하여나노섬유부직포복합분리막 제조기술개발 전문가추천, 특허 / 논문클러스터링 특허 / 논문클러스터링, 전문가추천 203

208 에너지저장 이차전지분리막 (3) 핵심기술선정 확정된요소기술을대상으로산 학 연전문가로구성된핵심기술선정위원회를통하여중소기업에적합한핵심기술선정 핵심기술선정은기술개발시급성 (10), 기술개발파급성 (10), 단기개발가능성 (10), 중소기업적합성 (10) 을고려하여평가 [ 이차전지분리막분야핵심기술 ] 분류핵심기술개요 유 / 무기복합코팅다공성분리막 리튬이차전지세라믹코팅분리막용무기나노입자및고접착바인더개발증착법을이용한나노미터수준의세라믹코팅분리막제조기술 다공성기재에유 / 무기복합코팅층을적용한다공성 분리막과그의제조방법 다공성기재위에균일하게코팅이될수있도록, 코로나, 플라즈마또는고에너지방사선처리등의 표면처리기술을이용하여표면처리기술 폴리올레핀계분리막 유기계전해질의젖음특성향상을위한폴리올레핀분리막표면처리기술용융압출및연신공정의최적화를통한분리막제조 전해액에대해친화성을높이고전해액의누액가능성을낮추는기술 압출기내에서혼련용융압출을하여제조한시트를연신공정을통하여박막필름을제막하여다공성 분리막제조기술 부직포형태분리막 분리막다공구조제어기술 전기방사법을이용하여나노섬유부직포 복합분리막제조기술개발 초극세섬유, 내열성고분자소재로구성된부직포의강도, 기공크기및열적특성등을조절하는부직 포분리막가공기술 전기방사법을이용한기능성고분자나노섬유표면에우수한전도성을갖는금속박막을코팅한복합 분리막제조기술 204

209 전략제품현황분석 6. 기술로드맵기획 가. 이차전지분리막기술로드맵 최종중소 중견기업기술로드맵은기술 / 시장니즈, 연차별개발계획, 최종목표등을제시함으로 써중소기업의기술개발방향성을제시 205

210 에너지저장 이차전지분리막 나. 연구개발목표설정 [ 이차전지분리막분야핵심기술연구목표 ] 분류핵심기술기술요구사항 연차별개발목표 1 차년도 2 차년도 3 차년도 최종목표 유 / 무기복합코팅다공성분리막 리튬이차전지세라믹코팅분리막용무기나노입자및고접착 바인더개발 증착법을이용한나노미터수준의세라믹코팅분리막 제조기술 열수축율 표면처리설계및공정기술개발 분리막표면처리기초설계 표면처리를통한전해질과의반응성제어 고안정성 / 장수명화인자최적화 고안정성 / 장수명화인자최적화 고안정성 / 장수명화인자최적화 폴리올레핀계분리막 유기계전해질의젖음특성향상을위한폴리올레핀분리막 표면처리기술 표면처리설계및공정기술개발 분리막표면처리기초설계 표면처리를통한전해질과의반응성제어 고안정성 / 장수명화인자최적화 고안정성 / 장수명화인자최적화 용융압출및연신공정의최적화를 통한분리막제조 무기물질및소재개발기술확보 바인더설계 용융압출및연신공정기술개발 양산제조기술확보 양산기술확보 분리막다공구조 제어기술 나노섬유직경 1000 nm 900 nm 900 nm 균일한나노섬유직경 부직포형태분리막 전기방사법을이용한나노섬유부직포복합 분리막제조기술개발 투기도 (sec/100ml) 2.5 sec/100ml 4.0 sec/100ml 4.0 sec/100ml 균일한투기특성 206

211 이차전지양극재 전략제품현황분석

212

213 전략제품현황분석 이차전지양극재 정의및범위 리튬이온이차전지에서양극전극에사용되는활물질을뜻하며, 양극은이차전지의방전중환원되는전극을의미 이차전지의종류에따라양극활물질로는니켈계, 리튬계, 납계등이있으나, 리튬이온이차전지에서는리튬계양극활물질을뜻하며, 전구체, 도전재, 바인더, 집전체, 전극및이를구성하는소재를포함 정부지원정책 이차전지산업발전전략을수립하여국가적인차원의기술개발을선도 전기자동차및전력저장장치의보급을확대하려는정책과부합 에너지효율화를통한 COP21 대응가능 중소기업시장대응전략 강점 (Strength) 리튬이차전지세계시장점유율 1위 최고수준의리튬이차전지생산기술보유 LiB 분야에서세계탑수준의경쟁력확보됨 글로벌규모의국내수요기업이확보됨 LiB 분야의연구개발, 소재핵심부품에대한주요기술인프라가확보됨기회 (Opportunity) 이차전지시장의폭발적증가 세계적으로핵심소재관련원천특허시효만료임박 지구온난화방지를위한온실가스배출저감기기에대한관심고조 환경오염과고유가시대의고착화에따른친환경전기자동차시대의도래 일본을제외한미국, 유럽등의자동차회사들과전략적협력가능 약점 (Weakness) 기초연구기반취약 일본, 미국정부의적극적지원정책과규제의장벽존재 국내자동차 H사집중에따른불안정한시장과과당경쟁촉발가능 국내시장미성숙및소재 /BMS 관련원천기술부재위협 (Threat) 세계최대시장으로예상되는중국시장에대한진입장벽 중국의저가를무기로한추격 일본의선진기술보호장벽큼 중대형전지의열적안정성및충돌시폭발위험존재 양적, 질적으로급팽창하고있는중국의성장세와산업경쟁력 중소기업의시장대응전략 중소기업이제조하는양극재의품질향상및가격경쟁력확보를통한글로벌진출가능 고가원료인코발트의사용량을줄이며성능을향상시켜다양하국가의전지제조업체로접근 209

214 에너지저장 이차전지양극재 핵심기술로드맵 210

215 전략제품현황분석 1. 개요 가. 정의및필요성 양극재란리튬이온이차전지에서양극전극에사용되는활물질을뜻하며, 양극은이차전지의방전중환원되는전극을의미 이차전지는기존휴대전자기기용 Wh급소형이차전지로부터전기자동차 (Electric Vehicle, EV) 나에너지저장시스템 (Energy Storage System, ESS) 에사용되는 kwh이상의고용량이차전지로시장이확장 이에따라이차전지의시장규모는막대하게성장할것으로예측이되고있으며, 음극재, 전해액, 분리막과더불어이차전지의 4대핵심소재중하나인양극재의시장도막대하게확대될것으로예측 이차전지의원가를산출할경우약절반정도를 4대핵심소재가차지를하며, 4대핵심소재중원가비중이가장높은것이양극재이며, 실제이차전지의성능에매우큰영향을주는소재이므로양극재관련기술개발은매우중요 나. 범위 (1) 제품분류관점 양극재는이차전지관점에서양극재, 음극재, 전해질, 분리막을포함하는 4 대핵심소재중하나 임. 양극재자체의제품분류관점에서분류는소재의결정구조에따른분류가일반적이며아래 와같음 층상계 (Layered-structured cathode material): LiCoO 2, LiCo x Ni y MnzO 2 를가지는양극소재 등층상형결정구조 스페넬계 (Spinel-structured cathode material): LiMn 2 O 4 등스피넬결정구조를가지는양극소재 올리빈계 (Olivine-structured cathode material): LiFePO 4 등올리빈결정구조를가지는양극재 211

216 에너지저장 이차전지양극재 [ 제품분류관점기술범위 ] 전략제품제품분류관점세부기술 층상계 LiCoO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 등 양극재 스피넬계 LiMn 2 O 4, LiM x Mn 2-x O 4, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 올리빈계 LiFePO 4 (2) 공급망관점 양극재를공급망관점에서분류를하면, 양극재를생산하기위한핵심원료물질및전구체, 이 를이용하여합성된양극활물질, 양극활물질을이용하여전극을제조하기위한부자재및제조 된전극으로분류 양극재를생산하기위한핵심원료물질은핵심이되는리튬전구체와더불어전이금속계열의전구체를포함함 양극활물질은양극재의핵심이되는제품으로실제전기화학반응에참여하는반응물이며, 이의에너지밀도향상, 출력특성향상, 수명특성증대, 안전성향상등의기술이요구됨 부자재는양극활물질과같이사용을하여전극을제조하기위한필요구성품들을뜻함 전극은양극활물질과부자재를활용하여극판의형태로제조가된것을지칭하며, 양극활물질과도전재, 바인더의균일한혼합및집전체와양극재간의접착력증대, 집전체의부반응억제, 전극밀도향상등의기술이요구됨 [ 공급망관점기술범위 ] 전략제품제품분류관점세부기술 원료물질및전구체 LiOH, Li 2 CO 3, Co 3 O 4, NCM 전구체, MnO 2, Mn 3 O 4 등 양극활물질 층상계, 스피넬계, 올리빈계양극재 양극재 부자재 도전재, 바인더, 알루미늄집전체등 전극 층상계, 스피넬계, 올리빈계전극 212

217 전략제품현황분석 2. 산업환경분석 가. 산업특징및구조 (1) 산업의특징 이차전지산업은완성품인 2차전지셀과이를구성하는 4대핵심소재로분류되며이차전지셀의경우대기업중심, 4대핵심소재의경우중소 중견기업중심으로형성 4대핵심소재는양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로구성 최근스마트폰, 전기자동차등다양한응용처에서이차전지의사용량이증가하고있으며각각의응용처에서요구하는성능에맞추어다양한성능의이차전지가개발되고있음 이차전지성능의큰영향을주는양극재또한이러한경향에따라다양한소재, 결정구조가개발되고있음 최근에는비용, 성능등의개량을위해복잡한조성의양극재가다수개발되고있으며, 복잡한조성의양극재의성능을효과적으로제어하기위해전구체산업의중요성또한부각되고있는상황 이에따라최근양극재업체가전구체산업까지동시에수행하는경우가다수발생하고있는상황 양극재는이차전지산업의원가에서큰비중을차지하고있으며이를절감하기위한연구개발이진행되고있음 소재측면에서고가의금속산화물소재를다른저가의금속산화물로대체함으로서생산원가를절감 최근이차전지산업에서안정성이중요한요소로부각되고있는상황으로 4대핵심소재중하나인양극재또한성능뿐만아니라안정성이강조됨 이차전지산업은이차전지의크기별로응용처가달라지며요구되는성능, 가격이달라짐 소형이차전지의경우주로스마트폰등휴대용전자기기에서사용되며중대형이차전지의경우전기자동차, 대용량에너지자장장치등에사용됨 소형이차전지시장은성숙기에진입하는시기이며가격적으로안정되었으나중대형이차전지의경우시장의도입기로가격의하락이예상됨 213

218 에너지저장 이차전지양극재 [ 이차전지크기별응용처및특징 ] 구분주응용처특징 소형 스마트폰등의휴대용전자기기 현재이자천지시장의대표적인사용처 - 장시간연속사용, 고속충전및소형 경량화가관건 중형 전기자동차등친환경차 하이브리드자동차, 전기자동차등친환경차에탑재 - 고출력 ( 노트북용전지의 50 배 ), 내구성 ( 자동차의경우 15 년이상사용 ), 안정성 ( 폭발위험해소 ) 가필수조건 대형 전력설비의대용량에너지저장장치 심야전기등잉여전력을저장하는용도고정형으로소형 중형등과는달리엄격한요구조건불필요 * 자료 : 지식경제부 / 한국전지연구조합, 삼성 SDI, 삼성경제연구소, KISTI 의내용을재구성 전기자동차 (HEV, PHEV, EV, LEV) 로대표되는친환경차의본격적인시장확대를위해서는기존내연기관대비경쟁력있는수준의성능을구현하는것이필수적이며이러한성능은이차전지와직결 이차전지의다양한특성중에서도에너지밀도가전기자동차의성능중에서가장중요한요소중하나인일충전주행거리 ( 한번충전으로주행할수있는거리 ) 를결정하는핵심요소 에너지밀도는 4대핵심소재와밀접한연관이있으며그중에서도특별히양극재및음극재에큰영향을받으므로고에너지양극재개발이중요한상황 현재이차전지시장에서가장대표적인기술은리튬이온전지이나리튬이온전지가가지고있는고비용, 저출력등의문제를해결하기위해나트륨이온전지나초고용량커패시터등다양한이차전기기술이개발되고있으며이러한기술들을위한양극재또한개발되고있음 다양한기술이개발되고있는이차전지산업의특성상각각의이차전지기술의장점을극대화할수있는응용처에최적화된형태로기술개발이이루어질것이라예상됨 대형이차전지의경우주로전력저장장치등의대용량 ESS에사용되며휴대성이강조되는중 소형과는달리경제성이가장중요한요소 따라서대형이차전지는경제성을갖춘장수명, 고안전성을테마로개발이진행되고있으며한번설치로 20년이상의장기간동안사용가능하여야함 양극재는이차전지의원가에서차지하는비중이큰편이므로경제성을갖춘이차전지제작을위해저비용양극재의개발이필수적 이러한대형이차전지의특성은기존중 소형이요구하는특성과는다른것이므로대형이차전지에최적화된맞춤형양극재의개발필요 214

219 전략제품현황분석 (2) 산업의구조 양극재의경우전방산업인이차전지산업의경향을매우크게받는산업이며동시에후방산업인원 료및전구체, 도전재, 바인더, 집전체등과도관련이깊음으로관련산업들과동반성장이요구됨 [ 양극재분야산업구조 ] 후방산업양극재전방산업 원료물질및전구체, 도전재, 바인더, 알루미늄집전체등 양극활물질, 양극전극 리튬이온이차전지 전방산업은응용처에따라소형및중 대형으로분류, 각응용처에서산업파급효과가큰수준이 며국내이차전지전방산업은세계적수준으로대기업이중심이되어이자천지완성품을제조 후방산업은원료물질, 도전재등의소재분야위주로구성 나. 경쟁환경 2000년대중반까지는일본이양극재시장을독점하고있던상황이였으며양극재의국산화를위해많은지원이이루어짐. 이를통해상당부분국산화가이루어졌으나이러한양극재는대부분소형위주의모바일 IT기기용양극재인것으로분석 SNE 리서치의조사결과에따르면리튬이자전치양극재수요는 2014년 12만톤규모에서 2017년에는 25만톤, 2020년에는 60만톤규모로폭발적으로성장할것으로예상됨 이러한성장의핵심동력은중 대형이차전지시장의성장으로전기자동차등의사용량증대에따라기존소형중심의시장에서중 대형중심으로시장재편이예상됨. 현재전기자동차시장은일본기업파나소닉이전체시장점유율 35.9% 로주도하고있으며그뒤를중국의 BYD가점유율 11.2% 로 2위를기록하고있음. 파나소닉의약진은세계최대의전기자동차업체인테슬라와의굳건한연계를바탕으로만들어진결과이며국내업체의전기자동차분야이차전지관련경쟁력확보가필요한상황 현재국내이차전지양극의주력양극재는리튬니켈코발트망간 (NCM) 으로기존 LCO 대비우수한성능을유지하면서소재비용을절감하는것이가능 현재국내에서 NCM 양극재전구체를생산하는기업은 STM, ENF테크, JH화학, GS이엠, 에코프로 중국기업의경우 NCM이아닌인산철기반의 LFP 양극재개발에주력, 현재 LFP 기반의전기자동차배터리양산. LFP의경우원료비용이 NCM 대비저렴하다는장점 215

220 에너지저장 이차전지양극재 현재의상황은한국, 일본, 중국이양극재생산의대부분을점유하고있으며일본은우수한품질, 중국은저렴한가격으로강점을가지고있어한국의양극재시장을위협하고있음 이차전지양극재산업의가장큰리스크중에하나는원료수입의존도가중국에높다는점이며이는이후관련시장선점측면에서약점으로작용할가능성이높음 원료를수입하여소재를제작, 이를통해이차전지셀을제작하여수출하는산업구조로, 비용절감을위해중국현지에공장건설또한진행 소형이차전지중심의시장에서중 대형으로시장이확대되고있는상황에서이러한시장변화에따라새로운특성의양극재개발필요성이대두되고있음 신규시장이창출되는상황에서시장선점을위해우선적인기술우위확보가필수적이며이를바탕으로자동차용및전력저장용등각각의응용처에최적화된맞춤형양극재개발이필요 [ 제품분류별경쟁자 ] 구분 경쟁환경 기술분류양극재소형리튬이온전지중대형리튬이온전지 주요품목및기술 NCO, NCM, NCA, LFP 스마트폰배터리노트북배터리 전기자동차배터리대용량 ESS 배터리 해외기업 니치아 ( 일본 ) Shenshen ( 중국 ) Reshine ( 중국 ) Panasonic ( 일본 ) SONY ( 일본 ) Lishen ( 중국 ) ATL ( 중국 ) BYD ( 중국 ) Coslight ( 중국 ) BAK ( 중국 ) Maxwell ( 미국 ) Panasonic ( 일본 ) BYD ( 중국 ) PEVE ( 일본 ) AESC ( 일본 ) LEJ ( 일본 ) Lishen ( 중국 ) Wina ( 중국 ) GE 에너지 ( 미국 ) 국내기업 니치아 ( 일본 ) Shenshen ( 중국 ) Reshine ( 중국 ) Panasonic ( 일본 ) SONY ( 일본 ) Lishen ( 중국 ) ATL ( 중국 ) BYD ( 중국 ) Coslight ( 중국 ) BAK ( 중국 ) Maxwell ( 미국 ) Panasonic ( 일본 ) BYD ( 중국 ) PEVE ( 일본 ) AESC ( 일본 ) LEJ ( 일본 ) Lishen ( 중국 ) Wina ( 중국 ) GE 에너지 ( 미국 ) 216

221 전략제품현황분석 다. 전후방산업환경 스마트폰에서시작된휴대용에너지저장장치사용량의폭발적증가는이제전기자동차로이어져이차전지에대한관심은지속적으로증가중. 이에따라이차전지수요는지속적으로증가하고있으며단순사용량의증대뿐만아니라이차전지의성능에대한요구치또한급증하고있음 이차전지관련산업이소형중심에서중 대형으로확대됨에따라관련산업환경또한급변하고있으며이러한시장변화에맞춰관련원천기술을선점하는것이중요 원료의많은부분을수입하여야만하는상황속에서이차전지시장에서의경쟁력확보를위해서는결국기술적우위를바탕으로고성능의이차전지를개발하는것이필수적 이차전지의성능은 4대핵심소재의큰영향을받음으로 4대핵심소재전반에걸친기초기술확보가필요함 4대핵심소재중에서도양극재및음극재가성능에미치는영향이가장크며따라서우수한성능의양극재및음극재개발이필수적 양극재의경우원료물질, 바인더, 도전제등다양한부분으로구성되며각각의파트가양극재성능에큰영향을미침 따라서양극재구성물질부터셀제조기술까지전, 후방산업전반에걸쳐유기적인연계를통해우수한성능의이차전지를개발하는것이중요함 217

222 에너지저장 이차전지양극재 3. 시장환경분석 가. 세계시장 2016 년 Yano Research 에따르면리튬이온전지양극재의시장규모는 2016 년에 3,799 백만 달러, 2018 년에는 4,681 백만달러에이르는세계시장을형성할것으로전망 [ 양극재분야의세계시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) 세계시장 3,473 3,799 4,217 4,681 5,196 5, * 자료 : 2015 Yano Research Institue Ltd. 리튬이온전지는전기자동차및스마트그리드로대변되는 21세기에너지혁명의핵심역할을할것으로예상됨 21세기전력망구현을위해서는전력의생산과소비의불일치문제를해결하는데완충적역할을할수있는에너지저장기술이필수적인상황으로리튬이온전지가최선의대안으로떠오르고있음 글로벌선진국에서는급격한기후변화에따른국제사회의기후변화대응정책강화및화석원료기반의에너지수급불확실성증대에따른에너지효율화정책을적극추진하고있음 리튬이온전지는산요, 소니등일본기업주도로개발되었으나, 삼성SDI, LG화학등한국기업과 BYD 등중국기업이급격히성장하여주도권확보를위해치열하게경쟁중임 국내기업인삼성 SDI, LG 화학이리튬이온전지시장에서우위를점하고있지만, 양극재분야에 서는일본기업과중국기업이우위를점유하고있음 [ 양극재분야의한중일점유율 ] 구분한국중국일본기타 ( 단위 : %) 세계시장 9.6 % 55.2 % 24.3 % 10.9 % * 자료 : 2014 Yano Research Institue Ltd. 자료를근거로재구성 리튬이온전지의리튬소스는양극활물질에서나오므로용량증가를위해서는고용량화가필수적이므로, 고용량화양극재료로니켈리치계에대한연구가활발히진행 전통적으로사용해온리튬코발트계열 (LCO) 의비중이지속적으로줄고있으며, 대신니켈망간코발트 (NMC) 및니켈코발트알루미늄 (NCA) 계의사용이지속적으로늘어나는추세 218

223 전략제품현황분석 주로 LCO를양극재로이용해왔으나, 희유금속으로가격이비싼코발트 (Co) 사용량을줄이고셀원가를낮추기위해 Co 대신값싼금속으로대체하는노력진행중 리튬이온전지시장은수요에비해공급이많아단위전지당마진이매우낮고, 전지의가격경쟁력확보를위해원재료의단가인하압력이매우심한상황 양극재생산주요국가를살펴보면, 중국이가장큰시장을형성하고있고, 다음으로는일본등의순으로시장을형성 일본은 2016년 847백만달러, 2018년에는 950백만달러로점유하는시장규모자체는증가하나매해성장률은 1% 를기록하여점차전세계적으로점유율은감소하는추세며, 이는고품질이기는하지만중국에비하여가격경쟁력에서약한것에기인한것으로판단 중국은 2016년 2287백만달러, 2018년에는 3052백만달러의시장을형성하여전세계시장의 60% 이상까지차지할것으로예상 중국은저렴한인건비, 재료비등을기반으로가격경쟁력이강하고, 기술선진국과의기술격차를빠르게줄여성능, 안정성에서일본또는한국제품수준을따라잡고있어중국이한국과일본의시장을축소시키는상황 219

224 에너지저장 이차전지양극재 나. 국내시장 국내양극재분야시장현황은점차줄어들고있는상황임 국내양극재시장은 2016년 288백만달러, 2018년에는 262백만달러를형성할것으로전망 중국과의기술격차가줄어들고가격경쟁력도약해중국에시장을내어주고있는상황으로, 기술격차및재료비절감등을통해다시시장확대를위한노력이필요한상황 [ 양극재분야의국내시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 억원, %) CAGR ('13~'15) 국내시장 * 자료 : 2015 Yano Research Institue Ltd. 자료를근거로재구성 현재리튬이온전지시장에서주로쓰이는양극재는리튬코발트 (LCO) 계, 리튬니켈망간코발트 (NMC) 계, 리튬니켈코발트알루미늄 (NCA) 계, 리튬망간 (LMO) 및리튬인산철 (LFP) 계이며국내 시장에서는리튬니켈망간코발트 (NMC) 계가크게성장하고있음 * 자료 : 솔라에너지 (2013) [ 국내 NMC 계양극재수급현황 ] 220

225 전략제품현황분석 다. 무역현황 이차전지양극재기술관련무역현황을살펴보았으며, 수출량에비하여수입량이증가하는추세 이차전지양극재기술의수출현황은 11년 1억 7,500만달러에서 15년 1억 3,000만달러수준으로감소하였으며, 수입현황은 11년 46억 3,219만달러에서 15년 45억 7,253만달러수준으로감소하여무역수지흑자폭이대폭증가 최근 5년 ( 11~ 15년) 간연평균성장률을살펴보면수출금액은 0.3% 로감소하였으며, 수입금액은 1.9% 로증가하여전체무역수지는 0.9% 감소한것으로나타남 무역특화지수는 11년(0.67) 부터 15년(0.64) 까지감소한것으로나타나점차수출특화상태로나타난것으로분석 [ 이차전지양극재관련무역현황 ] 구분 ( 단위 : 천 $) CAGR ('11~'15) 수출금액 4,632,194 4,589,561 4,627,506 4,728,307 4,572, % 수입금액 930,706 1,002,323 1,094,894 1,057,259 1,002, % 무역수지 3,701,488 3,587,238 3,532,612 3,671,048 3,569, % 무역특화지수 * * 무역특화지수 = ( 상품의총수출액 - 총수입액 )/( 총수출액 + 총수입액 ) 으로산출되며, 지수가 0 인경우비교우위는중간정도이며, 1 이면완전수출특화상태를말함. 지수가 -1 이면완전수입특화상태로수출물량이전혀없을뿐만아니라수입만한다는뜻 * 자료 : 관세청수출입무역통계 HS-Code(6 자리기준 ) 활용 221

226 에너지저장 이차전지양극재 4. 기술환경분석 가. 기술개발트렌드 이차전지기술개발동향 이차전지산업은첨단융합산업과녹색기술산업의핵심인프라로 IT기기와 IT기기분야로발전전망 모바일 IT분야는스마트폰, 태블릿등디지털융합기기의보급증가로인하여고용량화기술과신산업창출을선도할플렉서블전지, 초소형박막전지, 고체전해질전지등의기술이요구될것으로전망 [ 이차전지주요기업 ] 리튬이차전지는모바일 IT 용으로는스마트웨어러블디바이스용전지가요구될것으로전망되며, 향 후 300mAh/g 급양극소재, 800mAh/g 급복합음극소재, 고안전성을확보하기위하여고기능 전해액및첨가제기술, 건식고내열성분리막기술등이개발될것으로예상됨 리튬이온이차전지분야는리튬이온이차전지를능가하는에너지 기술개발이활발히추진되고있음 밀도달성과저가화를위하여 저가격대형에너지저장장치로적합한나트륨전지는 Na을중심으로다양한전지시스템및핵심소재에대한개발이진행중으로, 나트륨이온전지, 나트륨금속전지등에대한설계및제조기술개발이요구됨 레독스흐름전지는그린 IDC용으로고용량수십 kw급 RFB 모듈제작기술, 저가격멤브레인, 전해질등핵심소재개발이요구되고, 추후 ESS 적용을위한 200kWh급시스템개발이요구됨 222

227 전략제품현황분석 상용화된아연공기 1차전지와는달리, 전기충전식 2차공기전지는개념설계단계이며, 주로기계적충전식아연공기전지기술개발이진행중으로, 전기충전식아연공기전지기술과 1,000Wh/Kg 이상의고에너지밀도구현이가능한리튬공기전지상용화개발이요구됨 출력특성이우수하지만에너지밀도가낮아현재메모리백업등제한적으로사용되는초고용량커패시터는고밀도원료소재를활용한균일한 Pore 설계 / 제작기술, CDC 기술, 고출력, 장수명등의특성향상을위한기술이요구됨 중대형전지분야는환경오염, 에너지고갈이라는총체적위기극복, 녹색기술산업분야인전기차용, 에너지저장및효율향상분야에적합한고안전성저단가실현을위한기술개발이확대될전망 고에너지밀도및고출력구현 휴대용전자기기및전기자동차에서가장중요한요소는저장용량및에너지밀도 오늘날이차전치사용량의폭발적인증대의시작은스마트폰사용량의증가에서비롯되었으며, 현재최신스마트폰의성능의중요한요소중하나는전지의용량으로실제스마트폰사용자의불만의상당부분이짧은사용시간으로이는에너지밀도와밀접한연관이있음 전기자동차또한기술평가지표로서가장중요한것은일충전주행거리 ( 한번충전으로주행할수있는거리 ) 이며이를개선하기위해서는고에너지밀도전지제작이필수적 따라서고에너지밀도이차전지제작을위해고에너지밀도양극재개발은필수적인상황 고에너지밀도양극재개발을위해기존 LCO를개량한 Li-rich 양극재, NCM 등다양한구조의양극재가연구되고있으며리튬-황전지등의차세대전지의양극재또한개발되고있음 현재기술의한계를뛰어넘는초고용량의양극재가개발될경우기존응용처들의성능, 사용시간등을획기적으로증가시킬수있으며기존에휴대용전자기기로사용되지못하던새로운시장개척가능 고출력이차전지의필요성대두 전기자동차용배터리기반이차전지시장이확대됨에따라기존내연기관대비경쟁력있는성능확보를위해고출력이차전지의필요성이대두되고있음 전기자동차의경우가속시순간적으로높은출력을필요로함으로이를충족시키기위해서는고출력의양극재개발이필요함. 리튬이온전지의낮은출력을보완하기위해초고용량커패시터등대체기술의양극재또한개발되고있음 최근이차전지응용처는충전시간대비사용시간을필수적으로제시하고있을정도로급속충전은핵심적. 기술적한계로인해에너지밀도를크게증가시키기힘든상황에서충전시간을줄이는것은충전시간대비사용시간을증가시킬수있는대안 출력특성또한에너지밀도와유사하게양극재의특성에큰영향을받으므로양극재구성요소연구를바탕으로고출력양극재개발이필수적 223

228 에너지저장 이차전지양극재 저비용양극재개발 전력저장용대형이차전지시장에서가장중요한요소는가격경쟁력있는이차전지제작이필수적 양극재는재료비비중이높은이차전지원가중에서도큰비중을차지하는파트로서이차전지의재료비절감을위해서는저비용양극재개발이필수적 중소형이차전지또한가격경쟁력확보가필수적으로다수의중국업체가가격경쟁력을바탕으로성장하고있는상황에서시장확보를위해서는저비용양극재개발이필요함 저비용이차전지개발을위해차세대전지로서나트륨이온전지등이연구개발되고있으며기존리튬메탈대비비용이낮은나트륨메탈을사용함으로서가격경쟁력확보가가능함. 현재로서는리튬이온전지대비낮은성능으로인해추가적인개발이필요한상황 유연전지기술개발 최근디스플레이시장에서트렌드중하나는유연디스플레이로서이미 OLED 기술을기반으로휘어지는디스플레이개발이상당부분진행됨. 유연디스플레이의장점을 100% 활용하기위해서는사용되는전지또한유연성확보가필수적. 따라서유연전지제작을위한최적화된양극소재개발이진행중 유연양극재개발의경우새로운양극소재개발보다는기존물질에코팅등의공정을통해유연성확보등기존물질을바탕으로연구개발수행중 폭발위험성감소 최근이어진일련의이차전지폭발사고로인해이차전지의안정성측면이크게부각되고있는상황. 따라서이차전지시장의확대및전기자동차의성공적보급을위해서는이차전지의폭발위험성을줄일수있는기술개발이필요함 리튬이차전지의폭발에는전해액이나분리막등이큰영향을미치는것으로알려져있으나양극재측면에서도폭발위험성에대한검증이필요 다양한구조의양극소재개발 최근리튬이온전지에사용되는양극소재의경우 LCO를비롯한 NCM, LFP 등다양한구조의양극소재가있으며각각의장단점으로인해연구되고있는물질대부분이사용되고있는상황 LCO의경우상업화초창기부터사용되어온물질로서우수한특성이장점이였으나주재료인코발트가고가이기때문에가격경쟁력측면에서단점으로작용하여현재신규연구개발이줄어들고있는상황 224

229 전략제품현황분석 NCM의경우고가의코발트사용량을줄이고비교적저렴만망간및니켈을활용하여 LCO 대비우수한성능은유지하면서비용은저렴한것이장점. 현재국내기업들의주력양극재이며 NCM 기반전기차배터리가개발되고있음 LFP는올리빈구조의화학적특성을바탕으로안정성이뛰어나고수명특성이우수해중국기업을중심으로활발하게연구되고있음. 주재료의원가는 NCM 대비저렴하다는장점이있으나성능확보를위한기타공정비용등이필요함으로현재가격경쟁력은 NCM과유사한수준 * 자료 : Argonne National Laboratory(2010), KDB 산업은행재인용 [ 리튬이온전지양극활물질종류와특징 ] 225

230 에너지저장 이차전지양극재 나. 주요업체별기술개발동향 (1) 해외업체동향 이차전지의핵심소재중양극재는중국 Local 업체, 벨기에유미코아, 일본의니치아가시장의 50% 이상을점유하며나머지업체들이분할하고있는실정 중국업체의경우가격경쟁력을갖추고있으며, 품질이개선되고있는경향에있어향후사용이확대될것으로예측 양극재중모바일IT 제품에주로사용되는 LiCoO2의경우중국 Local 업체, 벨기에유미코아, 일본의니치아가세계시장의 70% 가량을점유하고있는것으로분석 주로자동차용등으로사용되는 NCM계열양극재의경우중국 Local 업체, 벨기에유미코아, 일본의니치아의시장점유율은 LiCoO2 대비적기는하나, 약 50% 정도수준으로파악 양극재중하나인 LiMn2O 4 잠식하고있는실정 및 NCA(Ni-rich) 계열제품의경우대부분일본업체가시장을 (2) 국내업체동향 양극소재는 LG화학및삼성SDI가 in house로생산을하고있으며, 이외에도엘앤에프신소재, 코스모신소재, 일진머티리얼즈, GS에너지등이생산하고있는것으로파악 한국업체들의시장점유율이높은제품은자동차용으로사용이가능한 NCM 계열소재이며, 모바일IT에사용되는 LiCoO 2 는상대적으로시장점유율이낮고, NCA 소재의경우에코프로에서일부생산하고있는것으로파악 또한양극재전구체의경우이앤드디, 이앤티, 포스코ESM 등이생산을하고있으며, 양극재제조업체들이자체적인전구체업체를진입시키고있는것으로파악 국내업체의시장점유율확대를위해서는우선적으로가격경쟁력확보중요 226

231 전략제품현황분석 다. 기술인프라현황 산업경쟁력제고를위한부품소재기술개발필요 우리나라의전지제조기술은세계최고수준이나, 부품 소재및원천기술에서는일본의 30~50% 수준으로미흡한수준이며, 특히소재국산화율이미흡 최근중국업체의급격한발전으로가격경쟁력측면에서고가와저가시장모두에서일본과중국에샌드위치로끼인상태에직면 이차전지는다른대규모조립산업에비해소재-완제품관계가훨씬밀접함에따라소재산업발전에전지업체역할이절대적이나, 그간민간제조업체의소재국산화노력과업체간협력미흡등으로산업생태계조성미흡 핵심연구인력확보및특허전략수립시급 전반적으로논문과특허의양적성과를제외하고는기술수준이낮은실정이며, 세계최고기술보유국대비 4~7년의기술격차 최근이차전지가미래신성장동력으로각광을받고있으나, 핵심기술개발을위한석 박사급 R&D 전문인력은부족한상황 이차전지의초기시장을창출할수있도록보조금, 세제혜택등의인센티브제공에대한정부차원의적극적의지필요 227

232 에너지저장 이차전지양극재 라. 특허동향분석 (1) 연도별출원동향 이차전지양극재기술의지난 7년 ( 10~ 16) 간출원동향 22) 을살펴보면연도별로출원경향이증가, 감소를반복하고있어지속적으로이차전지양극재관련기술개발활발 각국가별로살펴보면한국출원경향은 10 이후에지속적으로증가추세이며, 일본출원경향은 13이후감소하다증가함. 미국은 11이후지속적으로출원하는경향을보이며유럽은유지하는경향을보이고있음 국가별출원비중을살펴보면한국이 39.6% 로최대출원국으로이차전지양극재기술을리드하고있는것으로나타났으며, 일본이 35.2%, 미국이 19.2% 로출원비중을보이고있음 [ 이차전지양극재분야연도별출원동향 ] 22) 특허출원후 1 년 6 개월이경과하여야공개되는특허제도의특성상실제출원이이루어졌으나아직공개되지않은미 공개데이터가존재하여 2015, 2016 년데이터가적게나타나는것에대하여유의해야함 228

233 전략제품현황분석 (2) 국가별출원현황 한국의출원현황을살펴보면 10년이후출원이지속적으로증가하는경향을보이고있으며, 외국인의출원이점차감소 외국인의출원감소현상이두드러지는이유를살펴보면이차전지양극재기술의국내시장에대한외국인의선호도가감소하고있는것으로추정 일본의출원현황은 13년을기점으로감소추세에서증가추세로변화하였으며, 출원인대부분이자국출원으로일본내의기술력이우수한것으로추정 미국의출원현황은지속적으로증가되고있는추세를보이고있으며, 출원인대부분이외국인이며유럽은자국인의출원이미미 [ 국가별출원현황 ] 229

234 에너지저장 이차전지양극재 (3) 투입기술및융합성분석 이차전지양극재분야의투입기술을확인하기위하여특허분류코드인 IPC Code 23) 를통하여살펴본결과이차전지양극재분야의가장높은 IPC는 H01M 기술분야가 2544건으로가장많이차지하고있으며, 이어서 C01G가 87건, C01B가 41건으로다수를차지 이외에 B01J, C01D, H01B, B01D등의기술이투입되어있어이차전지양극재분야에다양한기술이융합되어존재 더불어해당 IPC의특허인용수명을살펴보면 C01D 기술분야의수명이 13년으로가장긴것으로나타났으며, B82B 기술분야는 3년으로가장짧은것으로분석 [ 이차전지양극재분야상위투입기술 ] IPC 기술내용특허인용수명 (TCT) 24) H01M 화학적에너지전기적에너지직접변환하기위한방법또는수단 8 년 C01G 서브클래스 C01D 또는 C01F 에포함되지않는금속을함유하는화합물 8 년 C01B 비금속원소 ; 그화합물 8 년 B01J 화학적또는물리적방법 9 년 C01D 알칼리금속, 즉리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘또는프란슘의화합물 13 년 H01B 케이블 ; 도체 ; 절연체 ; 도전성, 절연성또는유전성특성에대한재료의선택 8 년 B01D 분리 10 년 B82B 개별단위로서의분자, 원자들의제한된집합또는개별원자, 분자의조작에 의해형성된나노구조 ; 그의취급또는제조 3 년 C04B 석회 ; 마그네시아 ; 슬래그 ; 시멘트 ; 그조성물 8 년 C23C 금속재료의피복 ; 금속피복재료 ; 표면확산, 화학적전환또는치환에의한금속재료의표면처리 ; 진공증착, 스퍼터링, 이온주입또는화학증착에의한 피복, 일반 7 년 23) 전세계적으로통용되고있는국제특허분류 (IPC: International Patent Classification) 를통해특허정보기술분야에서공지기술을조사할수있으며, 기술및권리정보에용이하게접근가능 24) 특허인용수명지수는후방인용 (Backward Citation) 에기반한특허인용수명의평균, Q1, Q2( 중앙값 ), Q3 에대한통계값을제시함. 특히이와같이산출된 Q2 는 TCT(Technology Cycle Time, 기술순환주기또는기술수명주기 ) 라고부름 230

235 전략제품현황분석 투입기술이가능많은 H01M 분야와융합이높게이루어진기술은 C01B분야로나타났으며, C01D, B60L 분야와도융합이이루어진것으로분석 이외에 C01G 분야와융합된기술은 H01M, C01D, B01J 분야와융합된기술이많은것으로나타났으며, C01B 분야와융합된기술은 H01M, C01C, C04B 기술로분석 [ 이차전지양극재분야 IPC 기술및융합성 ] (4) 주요출원인분석 세계주요출원인을살펴보면주로일본의출원인이다수의특허를보유하고있는것으로나타났으며, 금속소재분야의출원인이대부분 주요일본출원인을살펴보면 SUMITOMO METAL, TOYOTA MOTOR, ASAHI GLASS, NISSAN MOTOR, JX NIPPON MINING METALS, TAIHEIYO CEMENT 금속제련기업과자동차기업이다수출원을하고있는것으로나타났으며, 이들일본출원인은주로일본본국에출원건수가높은것으로나타남 한국출원인으로는엘지화학과삼성SDI 등 2개기업이상위출원인으로나타나이차전지양극재관련기술을다수보유 가장많은특허를보유하고있는엘지화학의 3극패밀리수가 157건으로다국적으로시장을확보하며출원을하고있는것으로보이며, 삼성SDI도 85건으로다국적시장을확보 231

236 에너지저장 이차전지양극재 엘지화학이확보한특허의피인용지수가 1.32 로가장높게나타나기술의파급성이높은원천 기술을다수보유하고있는것으로분석됨 [ 주요출원인의출원현황 ] 주요출원인 국가 주요 IP시장국 ( 건수 %) 한국미국일본유럽 IP시장국종합 3극패밀리수 ( 건 ) 피인용지수 주력기술분야 엘지화학 한국 % 21% 11% 9% 한국 리튬이차전지양극활물질 삼성 SDI 한국 % 11% 20% 3% 한국 리튬이차전지양극활물질 SUMITOMO METAL 일본 % 10% 76% 1% 일본 비수계전해질이차전지용양극활물질 TOYOTA MOTOR 일본 % 11% 70% 2% 일본 리튬이차전지양극활물질 삼성정밀화학 한국 % 8% 18% 8% 한국 리튬이차전지양극활물질 ASAHI GLASS 일본 % 33% 51% 5% 일본 양극활물질제조방법 NISSAN MOTOR 일본 % 8% 46% 10% 일본 비수계전해질이차전지용양극활물질 JX NIPPON MINING METALS 일본 % 6% 92% 2% 일본 리튬이차전지양극활물질 TAIHEIYO CEMENT 일본 % 0% 100% 0% 일본 인산망간리튬양극활물질 포스코 한국 % 0% 5% 0% 한국 1 0 양극활물질제조방법 232

237 전략제품현황분석 (5) 국내출원인동향 국내출원인동향을살펴보면대기업은엘지화학의출원건수가가장높게나타났으며, 중소기업에서는에코프로의출원건수가높게나타남 대기업의주요출원인은엘지화학, 삼성SDI, 삼성정밀화학, 포스코등이있으며, 중소기업의주요출원인은에코프로, 엘앤에프, 엘앤에프신소재, 오렌지파워등이주요출원인인것으로나타남 기업이외의주요출원인을살펴보면한국과학기술연구원, 전자부품연구원, 한국화학연구원등연구소 / 공공기관의출원이다수나타났으며, 대학은한양대학교, 울산과학기술대학교, 한국교통대학교등의출원이높은것으로분석됨 [ 국내주요출원인의출원현황 ] 233

238 에너지저장 이차전지양극재 5. 중소기업환경 가. 중소기업경쟁력 이차전지양극재관련주요기술로는전구체, 층상계양극재, 기타양극재, 집전체등이있으 며, 이중전구체와집전체는주로중소기업의기술영역이며, 층상계및기타양극재는대기업 과중소기업이같이진출을하고있음 층상계양극재의경우엘앤에프신소재가상당한기술력을보유하고있으며, 기타양극재의경 우아직여러중소기업이기술개발을진행중인것으로보임 [ 이차전지양극재분야기업현황 ] 기술분류주요기술대기업중소기업 중소기업 참여영역 중소기업 참여정도 전구체 LiOH, Li 2 CO 3, Co 3 O 4, NCM전구체, MnO 2, Mn 3 O 4 등 - 에코프로, 엘앤에프신소재, 이앤드디, 이앤티, 포스코 ESM 리튬및전이금속전구체제조 층상계양극재 LiCoO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O2 등 삼성 SDI, LG 화학 엘앤에프신소재, 코스모신소재, 에코프로 양극재제조 기타양극재 LiMn 2 O 4, LiMxMn 2-x O 4, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4, LiFePO 4 등 포스코 ESM 일진머티리얼즈, 에코프로 양극재제조 집전체알루미늄포일 - 삼아알미늄, 동일알미늄 집전체제조 * 중소기업참여정도와점유율은주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 를고려하여 5 단계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 234

239 전략제품현황분석 나. 중소기업기술수요 이차전지양극재분야의중소기업의기술수요를파악하기위하여중소기업기술수요조사및중소기업청 R&D신청과제 (2013~2015 년 ) 를분석한결과아래표의내용과같은수요들이다수있는것으로분석 이차전지양극재분야에서중소기업은이차전지용양극소재분석기술및양극재료의기능성표면개질기술에대한수요가있는것으로나타났으며, 이는최근기술트렌드인전기자동차에대한수요의증가로고용량, 고신뢰성양극재에대응하는기술과표면처리등에관심이높아지고있는추세를반영한것으로분석됨 [ 이차전지양극재분야과제신청현황및수요조사결과 ] 전략제품기술분류관심기술 전구체 이차전지용양극소재의분석기술개발및이를활용한품질모니터링시스템구축 이차전지양극재 층상계양극재 기타양극재 대기압플라즈마를이용한양극물질의카본및금속불화물코팅리튬 - 황이차전지용양극담지소재기술개발이차전지용양극소재의분석기술개발및이를활용한품질모니터링시스템구축리튬이차전지용고용량양극재료의기능성표면개질기술개발 대기압플라즈마를이용한양극물질의카본및금속불화물코팅리튬 - 황이차전지용양극담지소재기술개발리튬이차전지용고용량양극재료의기능성표면개질기술개발 이차전지양극소재혼합공정단축을위한일체형혼합믹서개발 집전체 이차전지용양극소재의분석기술개발및이를활용한품질모니터링시스템구축 235

240 에너지저장 이차전지양극재 다. 중소기업핵심기술 (1) 데이터기반요소기술발굴 이차전지양극재기술의특허및논문데이터검색을통해도출된유효데이터를대상으로데이터마이닝기법 (Scientometrics 기법 ) 을통해클러스터링된키워드의연관성을바탕으로요소기술후보군을도출 이차전지양극재기술의특허및논문유효데이터를기반으로키워드클러스터링을통하여 9개의요소기술후보군을도출 제품별 dataset 구축 : 이차전지양극재기술관련특허 / 논문데이터를추출하여노이즈제거후제품별 dataset 구축 1차클러스터링 : 키워드맵을통한고빈도키워드확인-빈도수 (tf-idf) 25) 가상위 30% 에해당하는키워드를대상으로 1차추출 2차클러스터링 : 1차클러스터링에서추출된고빈도키워드사이에서고연관도키워드를 2차추출 ( 고연관도기준은연관도수치 26) 가 2이상인클러스터로제한 ) 다음그림은키워드간연관네트워크를시각화한것으로, 각키워드를나타내는원과키워드간의연관도를나타내는직선으로구성 각키워드가특허와논문중어느데이터에서도출되었는지원의색으로구분하였으며, 키워드로도출된클러스터는황색음영으로표시 키워드를나타내는원은고빈도의키워드일수록원의크기가크게표현되며, 연관도를나타내는선은키워드사이의연관도수치가높을수록굵게표현 이차전지양극재기술전략제품의특허 논문유효데이터에대하여키워드클러스터링결과를기반으로요소기술도출 데이터기반의요소기술도출은키워드클러스터링을통해도출된요소기술에대하여전문가의검증및조정을통하여요소기술을도출 25) 빈도수 (tf-idf) : 각키워드가출현되는특허또는논문수를의미 26) 연관도수치 : 두개이상의키워드사이의특허또는논문수를의미 236

241 전략제품현황분석 [ 이차전지양극재분야키워드클러스터링 ] [ 이차전지양극재분야주요키워드및관련문헌 ] No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 01 Recovering, Scrapping 4~7 1. Thermally conductive member, and battery device using the same 2. CONDUCTIVE MEMBER, ELECTRODE, SECONDARY BATTERY, CAPACITOR, AND MANUFACTURING METHOD OF CONDUCTIVE MEMBER AND ELECTRODE 3. POWER STORAGE ELEMENT AND CONDUCTIVE MEMBER 클러스터 02 Ni/Mn, high energy density 5~7 1. LITHIUM-ION BATTERY PACK 2. Cooling plate for lithium-ion battery pack 3. Development of cooling strategy for an air cooled lithium-ion battery pack 클러스터 03 cathode active material, Low temperature 4~8 1. ELECTRODE TAB, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING IT 2. Secondary battery including a plurality of aligned positive and negative electrode tabs 3. SYSTEMS AND METHODS FOR RECHARGEABLE BATTERY COLLECTOR TAB CONFIGURATIONS AND FOIL THICKNES 237

242 에너지저장 이차전지양극재 No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 04 composite metal oxide 4~8 1. METHOD FOR REDUCTION OF TIME IN A GAS CARBURIZING PROCESS AND COOLING APPARATUS 2. The Solubility of Specific Metal Oxides in Molten Borate Glass 3. Synthesis of carbon quantum dots and zinc oxide nanosheets by pyrolysis of novel metal-organic framework compounds 클러스터 05 Porous, lamella structure 4 1. Secondary battery including a lower terminal plate and an upper terminal plate 2. SECONDARY BATTERY WITH TERMINAL PLATE 3. CURRENT COLLECTOR TERMINAL PLATE FOR SECONDARY BATTERY, SECONDARY BATTERY, AND METHOD FOR PRODUCING SECONDARY BATTERY 클러스터 06 Nano-structure 4~7 1. Metal-dielectric layered structure supporting surface plasmons: Numerical modelling by the method of single expression 2. Self-phase modulation of surface plasmons-polaritons induced by the metal's nonlinearity 클러스터 07 클러스터 08 waste positive electrode material, regenerate Ion-doping, Stability, surface 4 4~7 1. Secondary battery with protection circuit module 2. Secondary battery with a protection circuit module and its connecting members 3. Secondary battery with protection circuit module and method of manufacturing the same 1. Current collector of lead-acid storage battery, and lead-acid storage battery 2. Current collector for nonaqueous solvent secondary battery, and electrode and battery, which use the current collector 3. Secondary battery with non-aqueous electrolyte and corrosionresistant collector 클러스터 09 Atom level, synthesis, metal, rearrange 4 1. ELECTRODE TAB, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING IT 2. Secondary battery including a plurality of aligned positive and negative electrode tabs 3. SYSTEMS AND METHODS FOR RECHARGEABLE BATTERY COLLECTOR TAB CONFIGURATIONS AND FOIL THICKNES 238

243 전략제품현황분석 [ 이차전지양극재분야데이터기반요소기술 ] No 요소기술명키워드 요소기술 01 회수된양극재재처리공정기술 Recovering, Scrapping 요소기술 02 니켈 / 망간비율, 이종원소치환종및치환량제어를통한고출력화기술개발 Ni/Mn, high energy density 요소기술 03 저온충전특성이우수한양극활물질개발 cathode active material, Low temperature 요소기술 04 니켈망간 (Ni-Mn) 계및이종원소치환형복합금속체기술개발 composite metal oxide 요소기술 05 고용량과고출력구현위해 Ni 함량이높은층상구조다공성양극소재개발 Porous, lamella structure 요소기술 06 커패시터급출력성능을가지는나노결정 LiFePO 4 의개발 Nano-structure 요소기술 07 폐전지극판으로부터양극활물질직접회수공정기술 waste positive electrode material, regenerate 요소기술 08 양극재구조및표면안정화위한 doping 및후처리기술 Ion-doping, Stability, surface 요소기술 09 금속성분의원자레벨재배열합성기술 Atom level, synthesis, metal, rearrange 239

244 에너지저장 이차전지양극재 (2) 요소기술도출 산업 시장분석, 기술 ( 특허 ) 분석, 전문가의견, 타부처로드맵, 중소기업기술수요를바탕으로로드맵기획을위하여요소기술도출 요소기술을대상으로전문가를통해기술의범위, 요소기술간중복성등을조정 검토하여최종요소기술명확정 [ 이차전지양극재분야요소기술도출 ] 분류요소기술출처 전구체제조기술 특허분석, 전문가 양극활물질개질기술 특허분석, 전문가 양극활물질 양극재표면개질기술 특허분석, 전문가 고전압망간계양극소재 특허분석, 전문가, 기업니즈 고순도망간양극재개발 특허분석, 전문가 양극활물질형상제어기술 특허분석, 전문가 양극활물질적용기술 고용량 Ni-rich 계양극소재 열안정성향상기술 특허분석, 전문가, 기업니즈 특허분석, 전문가 활물질, 바인더및도전재혼합제조기술 특허분석, 전문가 집전체제조기술 특허분석, 전문가 240

245 전략제품현황분석 (3) 핵심기술선정 확정된요소기술을대상으로산 학 연전문가로구성된핵심기술선정위원회를통하여중소기업에적합한핵심기술선정 핵심기술선정은기술개발시급성 (10), 기술개발파급성 (10), 단기개발가능성 (10), 중소기업적합성 (10) 을고려하여평가 [ 이차전지양극재분야핵심기술 ] 분류핵심기술개요 전구체제조기술 양극활물질이되기전단계의물질로, 니켈, 코발트, 망간또는니켈, 코발트, 알루미늄등을함유한다성분계금속산화물제조기술 양극활물질 양극재표면개질기술 양극소재표면에산화물계를적용및개질하여성능및열안정성을향상시키는기술 고전압망간계양극소재 LiMnO2 또는 LiMn2O4 등의리튬 - 망간계산화물 집전체제조기술 전지를구성하는물질로써양극과음극활물질에서전자를내고받을수있도록전자를이송해주는역할을하는집전체의제조방법 양극활물질적용기술 활물질, 바인더및도전재혼합제조기술 양극활물질을성형을용이하게하기위한바인더와성능향상을위한도전제의혼합제조에관한기술 열안정성향상기술 폭발성이있는리튬계열양극활물질에대하여물리적 화학적으로안정성을향상시키는기술 241

246 에너지저장 이차전지양극재 6. 기술로드맵기획 가. 이차전지양극재기술로드맵 최종중소 중견기업기술로드맵은기술 / 시장니즈, 연차별개발계획, 최종목표등을제시함으로 써중소기업의기술개발방향성을제시 242

247 전략제품현황분석 나. 연구개발목표설정 로드맵기획절차는산 학 연전문가로구성된로드맵기획위원회를통해선정된핵심기술을대 상으로기술요구사항, 연차별개발목표, 최종목표를도출 [ 이차전지양극재분야핵심기술연구목표 ] 분류핵심기술기술요구사항 연차별개발목표 1 차년도 2 차년도 3 차년도 최종목표 전구체제조기술 양극소재전구체생산기술확보 전구제제조기초기술확보 전구제제조기술확보 전구체양산기술확보 전구체양산기술확보 양극활물질 양극재표면개질기술 표면개질제어설계및공정기술확보 양극재표면개질기초설계 표면개질을통한전해액과의반응성제어 고안정성 / 장수명화인자최적화 고안정성 / 장수명화인자최적화 고전압망간계양극소재 열안정성향상기술 고전압망간계양극소재제조기술확보 고온안정성양극소재기술확보 고전압망간계양극소재설계 고온안정성양극소재설계 고전압망간계양극소재합성 ( 용량 : >100mAh/ g) 고온안정성양극소재합성 ( 고온안정성 >200 ) 고전압망간계양극소재최적화 ( 용량 : >110mAh/ g) 고온안정성양극소재제조기술확보 ( 고온안정성 >250 ) 고전압망간계양극소재최적화 ( 용량 : >110mAh/g) 고온안정성양극소재제조기술확보 ( 고온안정성 >250 ) 양극활물질적용 활물질, 바인더및도전재혼합제조기술 활물질, 바인더및도전재혼함비율최적화및혼함기술개발 활물질, 바인더, 도전재혼합비율설계 활물질, 바인더, 도전재혼합기술개발 활물질, 바인더, 도전재혼합기술최적화 활물질, 바인더, 도전재혼합기술최적화 집전체제조기술 고강도 / 고연신 / 고접착성박막얼루미늄집전체 고강도 / 고연신박막집전체제조 표면몰폴로지제어를통한고접착성확보 양산기술개발및수요기업적용평가 표면몰폴로지가제어된고강도 / 고연신박막알루미늄집전체개발 243

248

249 이차전지전해질 전략제품현황분석

250

251 전략제품현황분석 이차전지전해질 정의및범위 이차전지의양극및음극에서이온의삽입 / 탈리에필요한이온을운송하는매질의역할을하는물질을의미 성상에따라액체전해질, 고체고분자전해질, 겔고분자전해질, 이온성액체전해질, 무기물계고체 전해질등을포함 정부지원정책 이차전지경쟁력강화전략을수립하여국가적인차원의기술개발을선도 이차전지인재양성, 이차전지산업인프라구축및운영 범정부적으로중대형전지제조및소재산업지원추진 (2011~2020 년 ) 중소기업시장대응전략 강점 (Strength) LiPF6 국내합성기술및국내첨가제제조기술확보 산업계의적극적인투자의지 우수한연구인력및연구성과증가 국내기업의리튬이차전지시장의높은점유율기회 (Opportunity) 소형전지분야에의지속적성장 전후방산업에대한정부의강력한지원정책 신재생에너지분야의성장으로 ESS용리튬전지수요증대 자동차업계들의전기자동차에대한투자확대 약점 (Weakness) 특정첨가제소재의해외특허및원천소재수입의존 후발주자로서기존시장개척의어려움 이차전지전해질소재및핵심기술경쟁력선진국대비미흡 신규소재개발및적용평가기간에따른중소소재기업의부담위협 (Threat) 일본의견제심화및중국등후발주자의저가공세 리튬이차전지의점진적가격하락 이차전지관련발화사고로인한대중의안정성에대한신뢰저하 중대형전지소재기술개발의가속화 중소기업의시장대응전략 중소기업이제조하는전해질과첨가제의품질향상에따라가격경쟁력을통한글로벌시장점유율확보가능 높은해외소재가격을극복하기위해이차전지전해질소재국산화를통한이차전지원가절감을통해시장접근 247

252 에너지저장 이차전지전해질 핵심기술로드맵 248

253 전략제품현황분석 1. 개요 가. 정의및필요성 액체전해질은양극과음극에리튬이온전달매개체로유기용매에리튬염을용해하여사용 LiBF 4, LiPF 6, LiClO 4 등의리튬염을에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트등의유기용매에용해 하여전해액으로사용 유전율, 점도가높은고리형카보네이트계와유전율, 점도가낮은사슬형카보네이트계의혼합물 에리튬염을일정농도로용해하여제조 전해액에전지의수명향상과안정성확보를위해다양한종류의유기첨가제가사용 액체전해질중상온에서이온만으로구성되는액체상태의염을이온성액체라하며, EMI 계, TFSI 계등의이온성액체전해질등을포함 고체전해질은음극, 양극을전기적으로분리하는분리막의역할과리튬이온의이동통로인전 해질의역할을동시에수행 고체전해질은액체전해질에비해안정성, 구조최적화및이론적인고에너지밀도, 고출력등에서장점 고분자전해질은리튬이온탈리와삽입에의한적은부피변화로안정성이좋지만, 액체전해질에 비해이온전도도가낮고, 저온에서특히낮은이온전도도를보임 겔고분자전해질은액체전해질을고분자매트릭스에혼합시켜상온에서도높은이온전도도를 나타내지만분리막에비해낮은기계적강도와전해액용량의한계로인해성능의문제 무기고체전해질에서이온전도는황화물, 산화물및인산염화물등의무기세라믹가운데비교적 양호한이온전도도의무기물이연구대상 유기용매는발화성이높고액체상태이므로누설문제가존재. 에너지저장장치의스케일이커짐 에따라안정성문제로고체전해질사용확대예상 액체전해질 고체고분자 전해질 구성유기용매 + 리튬염고분자 + 리튬염 이온 전도도 높음 (10-2S/cm) 낮음 (10-5S/cm) 겔고분자 전해질 고분자 + 유기용매 + 리튬염 비교적높음 (10-3S/cm) 저온특성비교적양호열악함비교적양호 고온 안정성 이온성액체 전해질 상온용융염 + 리튬염 비교적높음 (10-3S/cm) 열악함 ( 구조에의존 ) 무기물계 고체전해질 리튬세라믹 비교적높음 (10-4~10-3S/cm) 비교적양호 열악함우수함비교적양호우수함우수함 대표예 LiPF6-EC/DEC LiBF4+PEO * 출처 : NICE, 제 28 권제 2 호, 2010 [ 이차전지전해질종류 ] LIPF6-EC/DCMC + PVdF-HFP LiTFSI-EMITFSI Li2S-P2S5 249

254 에너지저장 이차전지전해질 나. 범위 (1) 제품분류관점 이차전지전해질은전해질제조기술에따라세부기술을분류할수있음 Adiponitrile, Succinonitrile은에너지밀도, 수명, 휘발성, 안전성의특성이우수하여이차전지용량증대에용이하기위한첨가제합성기술필요 전극별최적조건전해질생산기술및첨가제기술임 [ 제품분류관점기술범위 ] 전략제품제품분류관점세부기술 Succinonitrile, Adiponitrile, Acrylonitrile 등첨가제합성기술 이차전지 전해질 전해질제조기술 전극별최적조건전해질생산기술 난연성, 고출력성, 장기보관성등의특성에맞는주문자생산시스템 첨가제중합 농축및정제제조기술 (2) 공급망관점 이차전지전해질은전해질의종류에따라액체전해질, 고체전해질, 고분자고체전해질, 무기계고체전해질로분류할수있음 액체전해질에서전해액은카보네이트계열의용매가주로쓰이며, 고순도제품개발기술이요구됨 전해액을고분자에함침시켜구동시키는겔형고분자고체전해질개발및내구성을향상시킨고분자고체전해질제조기술이필요함. 높은이온전도도를위해무기계고체전해질개발기술이요구 250

255 전략제품현황분석 [ 공급망관점기술범위 ] 전략제품공급망관점세부기술 액체전해질 전해액은카보네이트계열의용매가주로쓰이고있으며, 고순도제품의개발기술리튬이온의높은이온전도도를위해음이온의크기가큰제품의개발고용량화, 고안전성화, 고출력화를위한전해질첨가제기술 고체전해질 전해액을고분자에함침시켜구동시키는겔형고분자고체전해질개발 이차전지전해질 고분자고체전해질 높은이온전도도를갖는무기계고체전해질의개발, 전기화학적안정성, 기계적성질등다양한측면을고려한연구 무기계고체전해질 높은이온전도도를갖는무기계고체전해질의개발, 전기화학적안정 성, 기계적성질등다양한측면을고려한연구 251

256 에너지저장 이차전지전해질 2. 산업환경분석 가. 산업특징및구조 (1) 산업의특징 리튬이차전지는양극재, 음극재, 전해질, 분리막을조립하여만들어지며, 양극재, 음극재, 전해질, 분리막등의 4대소재가전체생산원가의 50% 를차지 소재부분의원가구성은양극재가 35% 를차지하여가장높은비중을차지하며, 음극재 10%, 분리막 20%, 전해질 15%, 기타 20% 순으로차지 현재생산판매되고있는리튬이온전지는음극에탄소, 양극에전이금속산화물, 전해질에유기전해액을사용하여제조되며, 특히유기전해액의성능에따라고에너지밀도와장수명, 안전성의특징에영향을미치기때문에유기전해질의첨가제개발은매우중요 다소적은투자로서안전성을향상효과를기대할수있는분야가첨가제임 이차전지시장예측자료에의하면, 기존의소형리튬이차전지의역할이줄어들고전기자동차등중대형전지에의해시장규모가좌우되며, 중대형중심으로시장구조가전환되면서성능이우수한리튬전지중심으로재편될것으로예상 최근리튬이차전지의안전성문제가대두되면서이차전지의수명을비롯하여고율방전및안정성에대한전해액의성능개선을요구하는시장의의견이대두되고있음 [ 이차전지분야산업구조 ] 후방산업이차전지전해질전방산업 전해질첨가제 액체전해질, 겔고분자전해질, 고체고분자전해질, 이온성액체전해질, 무기물계고체전해질 Mobile IT 전기전자제품전기자동차태양관전력저장, 풍력발전저장 국내외전해액제조업체들은전해질의안정적인확보와저가격화, 고순도화를적극추진하고있으며, 전해액제조기술은성숙단계에있기때문에양산하는것외에저가격화의길은없는것으로알려져있고, 전해액의저가격화를위한고성능의저가첨가제확보가중요한과제 우리나라는일본에비해이차전지산업에뒤늦게뛰어들었지만 LG화학, 삼성SDI 등대기업중심의기술개발을통해생산기술과전해질소재기술에있어서어느정도성숙단계에접어들었으며, 새로운전해질첨가제기술개발을위한고용량화, 고안전성화, 고출력화를위한연구가진행중 252

257 전략제품현황분석 이차전지전해질첨가제세계시장규모는 2016년약 75억달러에이르고, 국내시장은 2016 년까지연평균 7.7% 의성장률을보이면서 146.4억달러에달할것으로전망 일반적으로리튬이온전지에사용하는전해액성분은 1) 넓은전기화학적창 (0~5V) 을가져야하며, 2) 전지의전극재와상용성 (compatibility) 을가져야하며 ( 전극과전해액사이에서부반응이없어야함 ), 3) 전지의동작시모든전지내부품과도화학적으로불활성이어야하며, 4) 높은이온전도도와특히저점도및고유전상수를가져야하고, 5) 넓은온도범위에서액상으로존재하여야한다. 특히용매의융점은가능한한낮아야하며비점은높을수록좋다. 단일용매는이요구들은모두동시에만족하기가어려우므로리튬염과다름함량의용매들을혼합하여사용 고용량신규양극재로서최근 LiCu x Mn 2-x O 4 (4.9V), LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (4.7V), LiNixCo 1-x PO 4 (4.8~5.1V), Li 2 CoPO 4 F (5.1V) 등이고전압용으로각광받고있다. 이전극재들은그구조를안정하게유지하면서높은전압에서도잘동작할수있지만, 이소재들의작동전압이전통적이유기카보네이트계전해액의전기화학적창 (<4.3V vs. Li/Li + ) 을초과해버리는단점이있다. 따라서고전압에서도안정한전해질의개발이고에너지밀도양극재의개발을한정하는요소가되므로, 5V 수준의고전압전해액의연구가필요함 나. 경쟁환경 국내에서는파낙스이텍과솔브레인이전해액을공급중이고, 후성은전해액용리튬염 (LiPF6) 을생산, 리캠은전해액소재 ( 첨가제 ) 를생산 LG화학과 BYD는전기차용중대형제품에사용되는전해액을자체생산중 전해액은 4대핵심소재중기술적인난이도가가장낮은품목으로원가경쟁력이우수한 Zhangjiagang Guotai-Huarong 등중국업체의성장세가뚜렷함 리캠은 2차전지의주요소재인전해액첨가제를주력으로생산하는업체이며, 전방산업의주요전지업체들을모두고객으로확보하고있으며특히 LG화학을고객사로보유 2014년기준고객사별매출구성과비중은 LG화학 30%, 파낙스이텍 23%, 솔브레인 16%, 기타 31% 이며, LG화학에는참가제를직접납품 후성은국내에서 2차전지용전해질 (LiPF 6 ) 을생산하는유일한기업이며, 전해질생산업체로는 Stella Chemifa( 일본 ), KDK( 일본 ), Morita( 일본 ) 와중국업체등이있으며중대형전해질의경우후성을포함해일본업체 3군데가영위하고있음 전해질은 2차전지전해액의원재료, 전해액원가의약 30% 를차지한다. 전해질사업은 2011년 1,000T/ 년에서 2,000T/ 년으로증설하였지만중국업체의진입으로가격이하락하였고, 스마트폰성장둔화로 2013년 2차전지사업부는적자전환 253

258 에너지저장 이차전지전해질 전해액의공급능력은리튬염 (LiPF 6 ) 생산능력에영향을받으며일본의칸토덴카, 스텔라케미파모리타화학사가대부분을공급하고있음 후성도 LiPF 6 일부분을공급하고있으며, LiPF 6 는소형전지뿐만아니라중대형전지도지속적으로이용될것으로보임 [ 제품분류별경쟁자 ] 구분 기술분류 액체전해질 경쟁환경 전고상고분자또는세라믹전해질 주요품목및기술 주로쓰이는용매로는 Ethylene carbonate, Propylene Carbonate, Ethyl methyl carbonate, Dimethyl carbonate, Dimethyl carbonate 등, 전해질첨가제, 리튬염 전해액을고분자에함침시켜구동시키는겔형고분자고체전해질, 황화물계고체전해질, 산화물계고체전해질 해외기업 도요타자동차, 이데미츠홍산, 오하라, 미쓰비시화학, Stella, Kantodenka, 센트럴초자, 다이킨공업 도요타자동차, 이데미츠홍산, 오하라, 미쓰비시화학, Stella, Kantodenka, 센트럴초자, 다이킨공업 국내기업 LG 화학, 삼성 SDI, 에스케이이노베이션, 솔브레인후성, 엔켐, 리켐, 에스티팜파낙스이텍, 씨트리, 에너텍욱성화학, 천보 LG 화학, 삼성 SDI, 에스케이이노베이션, 솔브레인후성, 엔켐, 리켐, 에스티팜파낙스이텍, 씨트리, 에너텍욱성화학, 천보 254

259 전략제품현황분석 다. 전후방산업환경 시장조사전문기관인 Pike Research 에의하면, 전기자동차용배터리시장규모는최근몇년간유가급등, 온실가스문제, 친환경자동차에대한정부및자동차완성업체의관심증가로배기량제로인전기자동차생산이증가될전망 리튬이차전지제조공정시, 최적화된용매성분과첨가제의도입으로안전성이훨씬강화된중대형리튬이차전지기술확보로기술경쟁력이강화됨 신규전해질의적용으로고전압양극소재적용이가능하고, 전해액의분해에따른성능저하가발생하지않으므로, 전지의장수명화가가능하며, 전기자동차및신재생에너지전력저장등중대형전지의시스템과수명을거의동일하게유지할수있어, 전체비용이감소할가능성이높음 기존카보네이트계유기전해액을기반으로하는리튬이차전지에비해훨씬높은작동및보관온도범위를가진전해액의개발이가능하며, 이로인해기후또는작동조건에따라극심하게높은온도에노출될수있는이차전지에있어서획기적인전환점을제공할수있음 저가화생산을통한고성능리튬이차전지제조기술개발로인해장비 / 설비회사및소재 / 부품분야의창업및기존기업의증설이예상되어기술개발파급효과에따른사업화전망은매우밝음 전지관련분야에서로열티및수입품에대한원가절감을통한국산제품의가격경쟁력강화, 국산제품의기술경쟁력강화를통해수풀이용이해지고국내기업활성화에크게기여함 고안정성전해액을사용한통신기기및전기자동차이용에의한국민들의편의성증대및안정성확보를통한전지산업의도약가능성증대됨 전세계적으로이산화탄소배출량을규제하는움직임과맞물려온실가스에의한지구온난화및기후면화에대한대책과화석연료고갈을극복하기위한대안책의하나로리튬이온이차전지는친환경전원으로확대되고있음 고에너지밀도리튬이차전지를활용하여에너지소비효율 5% 이상향상및이산화탄소배출량 850만톤이감소되는효과가있음 255

260 에너지저장 이차전지전해질 3. 시장환경분석 가. 세계시장 시장동향으로예측해보았을때, 2014년에금액기준 6.21억달러에서 2020년 24.8억달러규모에이를것으로예측됨 모바일 IT기기리튬이온배터리용은연평균 7% 성장하는데비해중대형 LiB는연평균 82% 성장하며차지하는비율을늘려나가고있음 성장세가큰 xev를비롯한 ESS 등중대형리튬이온배터리용셀은단위용량당필요한전해질량이 2배이상이기때문에연평균 20% 이상전해질시장을크게성장시킬전망 구분 ( 단위 : 백만달러, %) CAGR ('13~'15) 세계시장 * 자료 : SNE Research(2015) [ 이차전지전해질분야의세계시장규모및전망 ] 리튬이차전지산업전반은대기업위주로재편되었으나전해액산업분야는인건비부담, 고정비부담이적은중소기업에게오히려유리하며현재많은중소기업이전해액메이커역할을하고있음 전해질은제품의특성상리튬이온이차전지제조업체와공동으로개발을진행하여강력한 partnership을이루고있음. 일본의 Sanyo - Ube, Sony - Tomiyama, 한국의삼성SDI - Panax-Etec, Soulbrain이서로협력관계를구축하여상생을위한노력을하고있음 현재전세계전해질시장은중국메이커가점유율 1위를유지하는가운데, 일본메이커는안정성이중요한자동차용 LiB용시장에서입지를강화하고있음 국가별전해액시장점유율은 2015년중국 68.1%, 일본 22.5% 한국 9.0% 로추산 열처리산업이적용되는주요산업별시장비중은자동차분야가 33% 로가장높은비중을차지하고있으며, 이어서항공 (11%), 기계 (15%), 건설 (13%) 등으로전산업분야에적용되고있는것으로분석 256

261 전략제품현황분석 * 자료 : SNE Research(2015) [ 세계리튬이차전지국가별시장점유율 ] 중국의경우시장점유율 1위를차지하고는있지만기존메이커의생산능력증강과더불어다수의신규메이커가시장에참여함에따라공급과잉상태에있음. 가격경쟁격화로인하여평균단가의급락을초래하고있지만채산성악화로시장에서철수하는플레이어가늘어나면서향후전해액가격의하락은서서히안정될것으로예측 전해질의성분인염 (salts) 은 LiPF6의사용이주를이루고있으며일본의 3개업체가약 80% 가량을공급하고있음. 국내의경우유일하게 Foosung이 LiPF6를생산하고있음 최근에는각사전해액의품질차이도평준화되고있어전해액메이커들은첨가제로차별화를도모하고있음. 그러나첨가제를사용하게되면 trade-off가발생할수있고제품의가격인상으로이어질수있기때문에사용하는첨가제의종류를줄이되요구되는셀특성에적합한첨가제의개발에주목하고있음 최근에주목받는첨가제로는 LiPO 2 F 2 나 LiFSi 등이있음. LiPO 2 F 2 는고출력이요구되는자동차용 LIB용으로적합하다는평가를받고있음. 또한 LiFSi(Nippon Shokubai) 는고전압에효율적이고불소계이지만가스가잘발생하지않아셀의팽창문제가우려되는파우치용 LiB용으로수요가증가할것이라는예측이있음. 하지만가격이높은편이라당분간은모바일 IT기기용 LiB용으로사용될전망 2015년이후스마트폰을비롯한모바일 IT기기 LiB용뿐아니라자동차 LiB용전해액에대한수요가크게신장 중국에서공해대책으로 EV판매를장려하고지원하고있으며이에따라자동차용 LiB 시장의지속적인확대가예상되고전해액시장성장을견인할것으로예측 2014년출하수량기준으로모바일 IT기기 LiB용이 4만 6,060톤으로 69.6%, 중대형 LiB용이 2만 130톤으로 30.4% 를차지하고있으며앞으로중대형 LiB용의출하수량이증가할것으로예상되어전해질메이커들이이에발맞춰움직이고있음 257

262 에너지저장 이차전지전해질 자동차, ESS LiB용수요확대로중대형 LiB용전해액의구성비가상승할것으로예측되며, 수량기준으로 2016년 3만 6,000톤, 구성비 39.3% 에서 2020년에는 10만 7,656톤, 구성비 59.9% 로증가할것으로예측 전해질의경우리튬이온배터리원가전체비중의 15% 정도를차지하고있음. 따라서전해질의수출과수입도리튬이온배터리전체와비슷한추세일것으로예상 전해질의측면에서살펴보았을때, 중국의신흥전해질메이커의성장, 시장점유와일본의품질대비저가및중대형 LiB용전해질메이커의강세로국내시장이크게확대되지못하고점유율을빼앗기고있는것으로분석할수있음 나. 국내시장 국내시장의경우전해질을양산공급하고있는 Panax E-tec과 Soulbrain 등이리튬이온이차전지세계 M/S 1위에도달한삼성SDI와동반하여전해질공급업체로써성장하고있음 현재국내전해질수급은저가의중국산원재료수입및일부첨가제국내합성을통하여이루어지고있음 국내에서는유일하게 Foosung이리튬염중가장많이쓰이는 LiPF 6 를양산공급하고있으며나머지리튬염 (LiBF 4, LiTFSi, LiBOB) 의경우일본과중국업체 5곳으로부터완제품을수입해오고있음 용매 (Solvents) 의경우 EC만이중국의 crude를받아와국내에서고순도로정제하여수급하고있으며 PC, EMC, DEC, DMC의경우완제품을수입해오고있음 첨가제 (additives) 의경우 PS, FEC, SN는국내합성이가능한상태이고 VC만중국의 2개업체로부터가격과품질이우수한완제품을수입 Panax-Etec ( 한국 ) 출하하회, 고부가가치하이엔드제품에주력하기위해제품라인업을개편, 고수익을추구하고있음. 하지만가격경쟁력에서중국에, 고부가가치측면에서일본에출하를빼앗기는실태임. 현재는모바일 IT기기 LiB용판매가대부분임. 현재한국의메이저인삼성 SDI와동반성장하고있으며최종적으로유럽의자동차용 LiB시장진출을목표로하고있음 Soulbrain ( 한국 ) 경쟁격화로인해출하가하회하고있음. 출하의대부분이모바일 IT기기 LiB 용이며삼성SDI가주요고객임. LiB의용도, 타입, 극재의재료에따라다른종류의첨가제를사용하고있으며 4.5~5.0V 고전압용제품개발을주목표로잡고있음 258

263 전략제품현황분석 [ 이차전지전해질분야의국내시장규모및전망 ] 구분 ( 단위 : 억원, %) CAGR ('13~'15) 국내시장 4,358 4,680 5,027 5,398 5,798 6, * 자료 : SNE Research 다. 무역현황 이차전지전해질기술관련무역현황을살펴보았으며, 수출량에비하여수입량이급격히감소하는추세 이차전지전해질기술의수출현황은 11년 46억 3,307만달러에서 15년 45억 7,528만달러수준으로감소하였으며, 수입현황은 11년 9억 1,742만달러에서 15년 8억 7,132만달러수준으로감소하여무역수지흑자폭이증가 최근 5년 ( 11~ 15년) 간연평균성장률을살펴보면수출금액은 -0.3% 로감소하였으며, 수입금액은 1.3 % 감소하여전체무역수지는 0.1% 감소한것으로나타남 무역특화지수는 11 년 (0.67) 부터 15 년 (0.68) 까지증가한것으로나타나점차수출특화상태로 국내기업의수출량이증가하고있는것으로나타났음 [ 이차전지전해질관련무역현황 ] 구분 ( 단위 : 천 $) CAGR ('11~'15) 수출금액 4,633,070 4,584,385 4,628,796 4,729,590 4,575, % 수입금액 917, , , , , % 무역수지 3,715,653 3,669,480 3,722,648 3,878,193 3,703, % 무역특화지수 * * 무역특화지수 = ( 상품의총수출액 - 총수입액 )/( 총수출액 + 총수입액 ) 으로산출되며, 지수가 0 인경우비교우위는중간정도이며, 1 이면완전수출특화상태를말함. 지수가 -1 이면완전수입특화상태로수출물량이전혀없을뿐만아니라수입만한다는뜻 * 자료 : 관세청수출입무역통계 HS-Code(6 자리기준 ) 활용 259

264 에너지저장 이차전지전해질 4. 기술환경분석 가. 기술개발트렌드 개발방향 리튬이온전지의전해액은카보네이트계열의용매가주로쓰이고있으며, 고순도제품의용매개발이필요 주로쓰이는용매로는 Ethylene carbonate, Propylene Carbonate, Ethyl methyl carbonate, Dimethyl carbonate, Dimethyl carbonate 등이있으며, 유전율과점도가높은것은리튬염의해리에유리하나이온전도도가떨어지기에낮은제품과섞어서사용 리튬이온전지의전해질은용매에리튬염을적절한비율로섞어서만들게된다. 리튬염으로사용되는물질은용매에서의높은해리도가지며, 리튬이온의높은이온전도도를위해음이온의크기가큰제품의개발이필요 리튬염으로는 LiBF 4, LiPF 6, LiClO 4 의업체에서사용 등이대표적으로사용되며이온전도도가우수한 LiPF 6 를대부분 BASF e-mobility ( 독일 ) NCM, LMO용고전압, 고온전해액개발을진행하고있으며고온 LFP 등 xev LiB용전해질을연구중이다. 앞으로 BiPhasic liquid electrolytes, Lithium Super Ionic conductor electrolytes에대해연구할방침 전기차의개발로인해요구되는전지의수명, 에너지밀도, 안정성의향상을위해첨가제의개발이점차중요해지고있음 LG화학, 삼성SDI 등대기업중심의기술개발을통해생산기술과전해질소재기술에있어서어느정도성숙단계에접어들었으며, 새로운전해질첨가제기술개발을위한고용량화, 고안전성화, 고출력화를위한연구가진행되고있음 260

265 전략제품현황분석 나. 주요업체별기술개발동향 (1) 해외업체동향 전해액은이차전지의핵심소재중에가장기술적난이도가낮아서원가경쟁력이뛰어난중국업체의성장세가뚜렷 일본에서는 Stella Chemifa, Kanto Denka, Morita Chemical에서리튬염 (LiPF6) 를생산중 일본의이차전지산업은소재, 기술, 장비등에서세계최고의기술력을가지고있으며해외시장을적극적으로공략하고해외에생산거점을마련하는등의노력을하고있음 미쓰비시화학은음극표면에 SEI층을잘형성시키는 VC 첨가제특허를보유하고있음 니혼화학공업은히시콜린이라는 Phosphazene 화합물을이용하여난연및불연효과를갖는첨가제를시장에출시 FEC와 PRS를합하면 VC의특성이나오는데이는미쓰이화학이관련특허를보유 FEC를첨가하게되면사이클특성, 내산화성이향상되며, 전극및전해액계면에서리튬이온의이동속도를향상시키는것으로알려져있음 중국의경우 BYD를필두로자국업체를적극적으로지원, 육성하고있어많은성과를거두고있으며소재로쓰이는자원이풍부하여기술발전능력이우수 (2) 국내업체동향 이차전지생산기술과전해질소재기술의성숙에따라새로운전해질첨가제기술개발을위해고용량, 안전성, 고출력을위한연구가진행되고있음 Adiponitrile, Succinonitrile은에너지밀도, 수명, 휘발성, 안전성의특성이우수하여이차전지용량증대에용이함. 파낙스이텍이관련제품을삼성SDI, LG화학등에납품하고있음 261

266 에너지저장 이차전지전해질 다. 기술인프라현황 한국전기연구원의창의원천연구본부에서전지연구센터는전기에너지의저장, 변환및발전기술분야의전문연구그룹임 핵심소재개발 : 리튬이차전지, 슈퍼캐패시터및하이브리드금속공기전지용소재 리튬전지시스템개발 : 전고상이차전지 비 ( ) 리튬계전지시스템개발 : 나트륨이차전지, 슈퍼캐패시터, 하이브리드금속공기전지, 강유전체세라믹커패시터 이차전지활용기술개발 : 평가기반, 국제표준 전기에너지변환소재및시스템개발 : 압전소재및소자, 에너지하베스팅소재 / 디바이스, 압전액추에이터 한국과학기술연구원의에너지융합연구단은전기화학기술을바탕으로, 21세기친환경에너지자립형녹색도시구현을위한에너지저장및변환등에너지융합기술분야의수요에대처하기위해설립 저탄소고효율건물용에너지분야 : 리튬이차전지및마그네슘이차전지, 나트륨이온전지및리튬- 황전지, Redox Flow 전지, 발전용태양광전지 Zero-emission 자동차용및휴대용에너지분야 : 고용량 / 고안전성 / 장수명리튬이차전지, 초고용량커패시터, 자동차용이차전지자원재순환기술, 전고체형이차전지, 자동차용연료전지, 휴대용연료전지 통합형신개념전지분야 : 금속 공기전지소재, 광에너지변환 저장소재, 화학에너지변환 저장소재, 전기화학촉매및탄소재료 에너지융복합화및활용분야 : 하이브리드전지, 토탈에너지솔루션, 전기화학적이산화탄소전환기술 262

267 전략제품현황분석 라. 특허동향분석 (1) 연도별출원동향 이차전지전해질기술의지난 7년 ( 10~ 16) 간출원동향 27) 을살펴보면연도별로출원경향이증가, 감소를반복하고있어지속적으로이차전지전해질관련기술개발활발 각국가별로살펴보면일본과미국의출원경향은감소하는추세를보이며, 한국과유럽은유지하는경향을보이고있음 국가별출원비중을살펴보면일본이 41.3% 로최대출원국으로이차전지전해질기술을리드하고있는것으로나타났으며, 미국이 23.8%, 한국이 19.6% 로비슷한수준의출원비중을보이고있으나최근미국과일본의출원감소추세가두드러짐 [ 이차전지전해질분야연도별출원동향 ] 27) 특허출원후 1 년 6 개월이경과하여야공개되는특허제도의특성상실제출원이이루어졌으나아직공개되지않은미 공개데이터가존재하여 2015, 2016 년데이터가적게나타나는것에대하여유의해야함 263

268 에너지저장 이차전지전해질 (2) 국가별출원현황 한국의출원현황을살펴보면 13년에출원이소폭감소하는경향을보이고있으며, 외국인의출원이점차증가 외국인의출원증가현상이두드러지는이유를살펴보면이차전지전해질기술의국내시장에대한외국인의선호도가증가하고있는것으로추정 일본의출원현황은 11년을기점으로감소추세에서증가추세로변화하였으며, 출원인대부분이자국출원으로일본내의기술력이우수한것으로추정 미국의출원현황은지속적으로감소되고있는추세를보이고있으며, 출원인대부분이외국인으로유럽은자국인의출원이미미 [ 국가별출원현황 ] 264

269 전략제품현황분석 (3) 투입기술및융합성분석 이차전지전해질분야의투입기술을확인하기위하여특허분류코드인 IPC Code 28) 를통하여살펴본결과이차전지전해질분야의가장높은 IPC는 H01M 기술분야가 3265건으로가장많이차지하고있으며, 이어서 H01G가 272건, C08G가 143건으로다수를차지 이외에 H01B, C08F, C08J, C07C, C08L건순으로기술이투입되어있어이차전지전해질분야에다양한기술이융합되어존재 더불어해당 IPC의특허인용수명을살펴보면 C08F, C07C 기술분야의수명이 9년으로가장긴것으로나타났음 [ 이차전지전해질분야상위투입기술 ] IPC 기술내용특허인용수명 (TCT) 29) H01M 화학적에너지전기적에너지직접변환하기위한방법또는수단 8 년 H01G 콘덴서 ; 전해용콘덴서, 정류기, 검파기, 개폐장치감광장치또는감온장치 7 년 C08G 탄소 - 탄소불포화결합만이관여하는반응이외의반응으로얻는고분자화합물 8 년 H01B 케이블 ; 도체 ; 절연체 ; 도전성, 절연성또는유전성특성에대한재료의선택 8 년 C08F 탄소 - 탄소불포화결합만이관여하는반응으로얻어지는고분자화합물 9 년 C08J 마무리 ; 일반적혼합방법 ; 서브클래스 C08B, C08C, C08F, C08G 또는 C08H 에포함되지않는후처리 7 년 C07C 비환화합물또는탄소환화합물 9 년 C08L 고분자화합물의조성물 8 년 C07F 탄소, 수소, 할로겐, 산소, 질소, 황, 셀레늄또는텔루르이외의원소를함 유하는비환식, 탄소고리또는이종원자고리화합물 7 년 C07D 이종원자고리화합물 7 년 28) 전세계적으로통용되고있는국제특허분류 (IPC: International Patent Classification) 를통해특허정보기술분야에서공지기술을조사할수있으며, 기술및권리정보에용이하게접근가능 29) 특허인용수명지수는후방인용 (Backward Citation) 에기반한특허인용수명의평균, Q1, Q2( 중앙값 ), Q3 에대한통계값을제시함. 특히이와같이산출된 Q2 는 TCT(Technology Cycle Time, 기술순환주기또는기술수명주기 ) 라고부름 265

270 에너지저장 이차전지전해질 투입기술이가능많은 H01M 분야와융합이높게이루어진기술은 H01G 분야로나타났으며, C08J, C08F 분야와도나타융합된기술의건수가높은것으로분석 이외에 H01G 분야와융합된기술은 H01M, H01B, H01L 분야와융합된기술이많은것으로나타났으며, C08G 분야와융합된기술은 H01M, C08J, C08L 기술로분석 [ 이차전지전해질분야 IPC 기술및융합성 ] (4) 주요출원인분석 세계주요출원인을살펴보면주로일본의출원인이다수의특허를보유하고있는것으로나타났으며, 전기전자, 자동차분야의출원인이대부분 주요일본출원인을살펴보면 PANASONIC, SANYO ELECTRIC, TOSHIBA, SONY 등전자분야기업과 TOYOTA MOTOR, HONDA MOTOR 등자동차기업이다수출원을하고있는것으로나타났으며, 이들일본출원인은주로일본본국에출원건수가높은것으로나타남 한국출원인으로는엘지화학와삼성SDI, 삼성전자기업이상위출원인으로나타나이차전지전해질기술을다수보유 266

271 전략제품현황분석 가장많은특허를보유하고있는 TOYOTA MOTOR의 3극패밀리수가 97건으로다국적으로시장을확보하며출원을하고있는것으로보이며, 엘지화학도 96건으로다국적시장을확보 일본기업인 TOSHIBA가확보한특허의피인용지수가 1.83로가장높게나타나기술의파급성이높은원천기술을다수보유하고있는것으로분석됨 [ 주요출원인의출원현황 ] 주요 IP 시장국 ( 건수 %) 3 극 주요출원인 국가 한국미국일본유럽 IP 시 장국 종합 패밀리수 ( 건 ) 피인용 지수 주력기술분야 TOYOTA MOTOR 일본 % 12% 70% 4% 일본 비수전해질이차전지 PANASONIC 일본 % 25% 54% 11% 일본 비수전해질이차전지 엘지화학 한국 % 29% 14% 13% 한국 고분자전해질막 SANYO ELECTRIC 일본 % 40% 40% 4% 미국일본 비수전해질이차전지 TOSHIBA 일본 % 48% 31% 5% 일본 비수전해질이차전지및 전지팩 SONY 일본 % 49% 31% 3% 일본 비수전해질이차전지 DAINIPPON PRINTING 일본 % 0% 100% 0% 일본 촉매층 - 전해질막 적층체 HONDA MOTOR 일본 % 10% 90% 0% 일본 연료전지용 전해질막 삼성 SDI 한국 % 51% 19% 14% 미국 비수전해질이차전지 삼성전자 한국 % 53% 7% 6% 미국 연료전지용 전해질막 267

272 에너지저장 이차전지전해질 (5) 국내출원인동향 국내출원인동향을살펴보면대기업은엘지화학의출원건수가가장높게나타났으며, 중소기업에서는파낙스이텍의출원건수가높게나타남 대기업의주요출원인은엘지화학, 삼성SDI, 삼성전자, 현대자동차등이있으며, 중소기업의주요출원인은파낙스이텍, 엘켐텍, 솔브레인, 삼화전기, 대주전자재료등이주요출원인인것으로나타남 기업이외의주요출원인을살펴보면한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원등연구소 / 공공기관의출원이다수나타났으며, 대학은전남대학교, 울산과학기술원, 한양대학교등의출원이높은것으로분석됨 [ 국내주요출원인의출원현황 ] 268

273 전략제품현황분석 5. 중소기업환경 가. 중소기업경쟁력 이차전해질용전해질세부품목에서주요기술로는첨가제합성, 최적조건전해질생산기술등이 있으며이러한기술은 LG 화학, 삼성 SDI 등대기업중심의기술개발을거쳐현재솔브레인, 후 성, 파나스이텍, 리템등의중소기업에서도첨가제개발및합성, 전해질생산기술을보유 [ 이차전지전해질분야중소기업현황 ] 기술분류주요기술대기업중소기업 중소기업 참여영역 중소기업 참여정도 이차전지전해질 Succinonitrile, Adiponitrile, Acrylonitrile 등첨가제합성기술전극별최적조건전해질생산기술난연성, 고출력성, 장기보관성등의특성에맞는주문자생산시스템첨가제중합, 농축및정제제조공정 LG 화학삼성 SDI 솔브레인후성엔켐리켐에스티팜파낙스이텍씨트리에너텍욱성화학천보 신규전해질및용매개발. 신규첨가제개발. 합성기술검토및최적화 * 중소기업참여정도와점유율은주요제품시장에참여하는중소기업의참여규모와정도 ( 업체수, 비율등 ) 를고려하여 5 단계로구분 ( 낮은단계 :, 중간단계 (,, ) 높은단계 : ) 269

274 에너지저장 이차전지전해질 나. 중소기업기술수요 이차전지전해질분야의중소기업의기술수요를파악하기위하여중소기업기술수요조사및중소기업청 R&D신청과제 (2013~2015 년 ) 를분석한결과아래표의내용과같은수요들이다수있는것으로분석 이차전지전해질분야중소기업은차세대리튬이온이차전지와전기자동차, 초대용량 ESS 등과관련된기술개발에다수수요가있는것으로나타났으며, 이는그동안의연구소및대학에서연구된전해질합성기술을활용한응용기술을통한상용화추세를반영한것으로분석됨 [ 이차전지전해질분야과제신청현황및수요조사결과 ] 전략제품기술분류관심기술 이차전지전해질 이차전지전해질제조기술 차세대리튬이온 2 차전지용 10-3 S/cm 급고체전해질소재개발 EV 와 Micro-HEV Lithium-ion Battery 용고출력 / 장수명기능성전해액개발리튬이차전지의핵심요소인유기전해질물질의안정화를위한첨가제로사용중인환상술폰산에스테르의제조기술 ( 합성기술 ) 개발분산독립형전원을위한초대용량 ESS 용단일 Ni-MH 축전지의음양극판과전지저장방출에필요한액상전해액개발이차전지의장기밀폐신뢰성확보및유지보수비용저감을위한전해질모니터링시스템개발 270

275 전략제품현황분석 다. 중소기업핵심기술 (1) 데이터기반요소기술발굴 이차전지전해질의특허및논문데이터검색을통해도출된유효데이터를대상으로데이터마이닝기법 (Scientometrics 기법 ) 을통해클러스터링된키워드의연관성을바탕으로요소기술후보군을도출 이차전지전해질기술의특허및논문유효데이터를기반으로키워드클러스터링을통하여 9개의요소기술후보군을도출 제품별 dataset 구축 : 이차전지전해질기술관련특허 / 논문데이터를추출하여노이즈제거후제품별 dataset 구축 1차클러스터링 : 키워드맵을통한고빈도키워드확인-빈도수 (tf-idf) 30) 가상위 30% 에해당하는키워드를대상으로 1차추출 2차클러스터링 : 1차클러스터링에서추출된고빈도키워드사이에서고연관도키워드를 2차추출 ( 고연관도기준은연관도수치 31) 가 2이상인클러스터로제한 ) 다음그림은키워드간연관네트워크를시각화한것으로, 각키워드를나타내는원과키워드간의연관도를나타내는직선으로구성 각키워드가특허와논문중어느데이터에서도출되었는지원의색으로구분하였으며, 키워드로도출된클러스터는황색음영으로표시 키워드를나타내는원은고빈도의키워드일수록원의크기가크게표현되며, 연관도를나타내는선은키워드사이의연관도수치가높을수록굵게표현 이차전지전해질기술전략제품의특허 논문유효데이터에대하여키워드클러스터링결과를기반으로요소기술도출 데이터기반의요소기술도출은키워드클러스터링을통해도출된요소기술에대하여전문가의검증및조정을통하여요소기술을도출 30) 빈도수 (tf-idf) : 각키워드가출현되는특허또는논문수를의미 31) 연관도수치 : 두개이상의키워드사이의특허또는논문수를의미 271

276 에너지저장 이차전지전해질 [ 이차전지전해질분야키워드클러스터링 ] [ 이차전지전해질분야주요키워드및관련문헌 ] No 주요키워드연관도수치관련특허 / 논문제목 클러스터 01 nonaqueous electrolyte, secondary battery 4~7 1. NEGATIVE ELECTRODE FOR NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY, AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY 2. NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY AND LITHIUM ION BATTERY 클러스터 02 lithium titanate, metal/non- Metal, material 5~7 1. LITHIUM TITANATE COMPOSITE MATERIAL, PREPARATION METHOD THEREOF, NEGATIVE ACTIVE SUBSTANCE AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY CONTAINING THE SAME 2. Template-free synthesis of mesoporous spinel lithium titanate microspheres and their application in high-rate lithium ion batteries 클러스터 03 cathode electrode, anode electrode 4~8 1. CATHODE ELECTRODE FOR LITHIUM-ION SECONDARY BATTERY AND LITHIUM-ION SECONDARY BATTERY USING THE SAME 2. Polyaniline nanocoating on the surface of layered Li[ Li 0.2Co0.1Mn0.7]O2 nanodisks and enhanced cyclability as a cathode electrode for rechargeable lithium-ion battery 3. MANUFACTURING METHOD FOR CATHODE ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY 272