LG Business Insight 1154호

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태호 증
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1 녹색시대의총아, 2 차전지차세대전지개발경쟁치열해지고있다 신장환책임연구원 jshin@lgeri.com Ⅰ. 녹색성장시대의총아, 2차전지 Ⅱ. 치열해지고있는차세대전지개발경쟁 Ⅲ. 주목할만한차세대전지 Ⅳ. 차세대전지의높은잠재력에주목해야 모바일기기를주요시장으로하는 2차전지의시장규모는 2010년에 13조원대에달했고, 앞으로 10년간 10배이상의성장이예상된다. 기존모바일기기용전지시장의성장은둔화되겠지만, 전기자동차와에너지저장시스템부문의급격한수요확대가전체시장성장을견인할전망이다. 매력적인시장전망때문에기존전지기업외에도다수의글로벌기업들이앞다투어전지시장에진입하고있다. 기존전지기업은사업참여경험을기반으로새로운시장의주도권을잡으려하고, 신규진입기업들은새로운전지솔루션을통해시장의틀을바꾸고자한다. 현재시장에서는 2차전지의한계로지적되던에너지밀도상승의한계, 안전성에대한불안감, 그리고높은원가부담을혁신하기위한수많은전지솔루션들이쏟아져나오고있다. 10배이상의에너지밀도상승이가능한금속공기전지, 완벽한안전성을지향하는전고체전지, 대용량에너지의저장에적합한차세대나트륨계열전지, 그리고풍부한마그네슘자원을활용한마그네슘전지등이현재대표적인차세대전지로주목받고있다. 새로운전지솔루션이시장에안착하기위해서는오랜기간의시행착오가필요하겠지만, 시장의절실한요구와기업들의경쟁적인연구개발투자에힘입어예상보다빠르게등장할가능성도크다. 차세대전지의등장은결과적으로전지산업의위상을크게변화시킬것이다. 지금까지의 2차전지산업이모바일기기를움직이는에너지원으로서소규모산업의지위에머물렀다면, 미래의 2차전지는녹색시대의중추산업으로, 친환경에너지산업의성패를좌우하는대형산업으로거듭날것이다. 최근리튬이온전지산업에서한국기업이선전하고있다. 한국전지기업의차별적강점은공정혁신을통한효율적생산, 규모의경제에의한원가경쟁력이다. 그러나지속성장을가능하게해주는기초소재기술이나차세대전지개발역량은많이부족한상황이다. 힘겹게획득한소형 2차전지시장의주도권을발판으로소재기술혁신을통한차세대전지개발과생산성혁신을위한공정기술간의균형을맞추는것에대한고민이필요한시점이다. 2 LG Business Insight

2 전기자동차의짧은주행거리와높은가격에대한불만을해결할수있는 2세대전기자동차가이미 GM 연구진에의해설계가진행중이다. 2015년이되면지금보다 2배이상의주행성능을가지면서가격은획기적으로낮은 2세대전기자동차가출시될예정이다. 2차전지기업들의분발을요청한다. 스마트배터리포럼 에서했던한국 GM 기술총책임자의말이다. 2차전지성능의혁신에차세대전기자동차의성패가달려있다는것이다. 울릉도는대규모발전소와분리된도서지역으로신재생에너지활용도가우리나라에서가장높은수준이다. 그러나더는태양광발전이나풍력발전설비를설치할수가없다고한다. 에너지저장시스템의부족으로기존전력망에서출력이불안정 녹색성장의핵심으로주목받는 2차전지의성능에대한기대치가급격히상승하고있다. 한신재생에너지를더수용할수없기때문이다. 1 모바일기기에이어전기자동차, 그리고에너지저장시스템으로시장이빠르게 확대되면서녹색성장의핵심으로주목받는 2 차전지의성능에대한기대치가급격 히상승하고있다. 하지만, 2 차전지의혁신속도는시장의기대에크게미치지못하 고있는실정이다. LGERI 리포트 Ⅰ. 녹색성장시대의총아, 2 차전지 2차전지의기술혁신에관심집중 2010년 7월, LG화학의미국현지생산법인기공식에오바마미국대통령이이례적으로참석하면서화제가된적이있었다. 실제고용효과는 500여명에불과하지만, 전기자동차보급성공의열쇠를쥐고있는 2차전지에대한미국정부의육성의지를보여준것이다. 일본도정부가주도하여 2020년까지현재전지성능의 3배향상을목표로자동차기업, 전지기업, 연구소등 22개기관이참여하는차세대전지프로젝트를발족하였다. 몇년전만하여도휴대폰, 노트북등모바일기기에사용되며제한된시장에머 1 울릉도의신재생에너지활용도는 9.7% 수준이지만, 에너지저장시스템의미비로추가적인태양광또는풍력발전을설치하기어려운상황 LG Business Insight

3 2차전지시장이모바일기기에이어전기자동차, 에너지저장시스템으로빠르게확대되고있다. 무르던 2차전지가전기자동차의본격확대와에너지저장시장의가시적성장에힘입어급속히성장하고있다. 2010년전기자동차모델인리프를출시한닛산은 2016년까지전기자동차누적판매량을 150만대까지올릴것이라며자사모델의확실한성공을장담하고있고, GM 도전기자동차인볼트의판매호조에따라 2012 년에는연간생산량을 6 만대까 지증산할계획이며, 미쓰비시의아이미브도 2012 년부터연간 3 만대까지생산을 늘릴계획이다. 바야흐로친환경교통수단의현실적대안인전기자동 < 그림 1> 2 차전지시장추이및전망 차시대의서막이열리고있다. ( 십억달러 ) 17% 에너지저장用 친환경신재생에너지산업이세계적인이슈로등장하면서, 대용량에너지저장용 2차전지인 NaS 전지 2 의최근성과도눈부시다. 덴마크의청정기술기업인 Amplex 는 2010년 10월, NaS 전지의독점적생산기업인일본의 NGK 와총 40억달러규모의구매계약을체결했다 전기차用 모바일用 주 : 리튬이온전지와니켈계 (NiCd, NiMH) 전지의시장규모를합산자료 : LG 경제연구원 미국, 멕시코등에서늘어나는수요에대응하고자앞으로 6~10년간생산량전부를선점한것이다. 캘리포니아주정부는에너지저장시스템의설치를의무화하는법안을승인하였고, 미국의전력회사인 AES 는리튬이온전지를활용한 20MW급에너지저장시스템을뉴욕에시범설치하여사업화여부를검토하고있다. 기술혁신의필요성증대 미국의유력일간지인 USA 투데이와여론조사기관인갤럽이지난 5월에함께조사한바로는 57% 의미국인들은유가와상관없이전기자동차를구매할생각이없다고말했다. 특히, 소비자들은전기자동차용 2차전지와밀접한관련이있는짧은운행거리, 수시간에달하는충전시간, 그리고비싼가격에대해거부감이크다고표현했다. 전지기술의발전으로성공적인전기자동차의서막을열었지만, 전기자동차의본격확산을가로막는가장큰장벽으로고객들은 2차전지의성능한계를지적하고있는것이다. 전기자동차의원활한보급을위해서는현재리튬이온전지수준의 6~7배정도의 2 양극에황 (Sulfur), 음극에나트륨 (Na), 전해질은세라믹고체전해질을사용하는 2 차전지로서 300 도이상의고온에서작동 4 LG Business Insight

에너지밀도가필요하다. 지금과같은개선으로는이론적으로최대 2~3배정도의에너지밀도상승이가능한것이현실이다. 고객의기대수준에부응하기위해서는기술혁신이반드시필요한것이다. 2차전지의성능부족으로인한전력산업의고민도더욱깊어지고있다. 체르노빌사태이후최악의원전사고인후쿠시마원전사태는주요국들이에너지정책을원점에서다시생각하게하는계기가되었다.

창출한새로운미래의대표적인사례로전지기술혁신에현재 2차전지시장을주도하고있는리튬이온전지도혁의한전기자동차를꼽았다. 하지만, 역사적으로전지산신의산물이다. 1970년에미국의엑슨 (Exxon) 과빙엄턴업에있어기술혁신은그리생소한용어가아니다.

4 에너지밀도가필요하다. 지금과같은개선으로는이론적으로최대 2~3배정도의에너지밀도상승이가능한것이현실이다. 고객의기대수준에부응하기위해서는기술혁신이반드시필요한것이다. 2차전지의성능부족으로인한전력산업의고민도더욱깊어지고있다. 체르노빌사태이후최악의원전사고인후쿠시마원전사태는주요국들이에너지정책을원점에서다시생각하게하는계기가되었다. 일본의간총리는가능한모든주택및건물에태양광패널을설치하는등신재생에너지의적극적육성을통해현재 1% 수준에불과한신재생에너지비중을 2020년까지 20% 까지올릴것이라는거창한계 2차전지기술의발전으로전기자동차시대가열렸지만, 아이러니하게도전지성능의한계가전기자동차본격확산의걸림돌이다. 2 차전지의혁신 DNA 클레이턴크리스텐슨하버드대교수는와해성기술이자기기에많이사용되었다. 창출한새로운미래의대표적인사례로전지기술혁신에현재 2차전지시장을주도하고있는리튬이온전지도혁의한전기자동차를꼽았다. 하지만, 역사적으로전지산신의산물이다. 1970년에미국의엑슨 (Exxon) 과빙엄턴업에있어기술혁신은그리생소한용어가아니다. 대학의공동연구에의해처음으로제안되었지만리튬금 1800년에이탈리아의물리학자알레산드로볼타가최속의불안정성으로고용량이가능한장점에도불구하고초로화학전지를개발한이후, 전지의혁신행보는더디상업적으로사용될수가없었다. 하지만, 소형전자기기를긴하였지만시장의니즈와맞물려꾸준히진행되었다. 더오래사용하고싶은절실한니즈는당시전자산업을한번사용하면재사용이어려운 1차전지인볼타전지에주도하던소니의관심을끌기에충분했고, 소니의막대한대한혁신의지가충전을통해재사용이가능한 2차전지연구개발투자를통해 1991년마침내상업화되었다. 인납축전지를 1859년에탄생시키면서전지산업발전대용량에너지저장에적합한 NaS전지는 1967년미국의계기를마련했다. 의포드사에의해처음으로 19세기후반에개발발표되었다. 하지만상용화되었던니켈카드뮴전를염두에두고개발에나지는소형기기를이동선것은 1984년부터다. 일중에도사용하고싶다본의 NGK는수많은실증는니즈로소형화되어과실험을거쳐 2002년에 1950년대에상용화되비로소상품화에나섰고, 었고, 오랫동안워크맨 2006년처음으로실용화되 이나카메라등소형전 볼타전지 (1800 년 ) 최초의니켈카드뮴전지 (1899 년 ) 었다. LGERI 리포트 LG Business Insight

5 신재생에너지의출력변동성을제어하기위해서는에너지저장시스템이반드시필요하다. 획을발표했다. 3 독일도 2022년까지원전가동중단을모색하고궁극적으로는신재생에너지로만전력을생산하겠다고한다. 자연을활용하는신재생에너지중에서, 상대적으로높은경제성으로주목받는발전원은태양광과풍력발전이다. 하지만, 접근성이우수하고고갈될염려도없는태양광이나풍력을에너지로전환하여불편함없이사용하려면신재생에너지를통제하고품질을제어하는에너지저장시스템이반드시필요하다. 지식경제부의최근연구자료에의하면, 에너지저장시스템없이전력망에연계될수있는신재생에너지발전량비율의한계를 10~15% 로추정하고있다. 4 출력변동성을제어할수있는에너지저장시스템이준비되지않는다면신재생에너지의본격확산은어려운상황이다. 에너지저장용전지에대한수요는급증하고있으나, 고객들의문제를해결해줄수있는제품개발은아직기대에미치지못하는것으로보인다. 기업들은납축전지, 리튬이온전지, NaS 전지, Flow 전지 5 등다양한전지솔루션을제시했지만, 어떤것도만족스러운결과를얻지는못했다. 신재생에너지의확대가시급한유럽이나북중미의일부지역에서는완성도가부족한에너지저장솔루션을어쩔수없이사용하기도한다. 대용량에너지저장에적합하지만, 300도이상의고온에서만작동할수있다는운영상의약점을지닌 NaS 전지가최근급부상하고있는것이대표적인사례이다. 국내온라인마케팅업체인두리안소프트가최근진행한 스마트폰에대한만족도 에대한설문조사에의하면 63% 의소비자가가장큰불만으로 짧은배터리사용시간 을택했다. 배터리를완전히충전하여도반나절도가지않는짧은수명때문에정작중요한전화통화를하지못하는경우가많아지면서사용자들의불만이쏟아지고있다. 이처럼 2차전지를둘러싸고있는외부환경의변화로차세대전지의성능혁신에대한고객들의기대가절실해지고있다. 하지만, 현재의기술수준으로는고객들의욕구를충족하기가불가능하기때문에고객의기대수준과의격차는더벌어지고있다. 차세대전지에많은관심이쏟아지는이유가여기에있다. 3 일본에서신재생에너지비중은 1% 수준, 수력을합해도 10% 미만 (2010 년기준 ) 4 에너지저장기술개발및산업화전략 ( 지식경제부, 2011 년 5 월 ) 5 금속이온을함유하는액체전해질이흐르면서전기화학반응에의해충방전되는 2 차전지 6 LG Business Insight

6 Ⅱ. 치열해지고있는차세대전지개발경쟁 차세대 2 차전지의개념 차세대전지는기존 2차전지의한계를극복한신개념전지이다. 미국의경제학자인슘페터는혁신을정의하기를 낡은것을파괴하고새로운것을창조하는행위 라고하였다. 즉, 사용자의기대수준을넘는혁명적인결과를도출하는것을의미한다. 전지산업에서혁신의의미는고객이직면한문제를즉각해결해줄수있는전지성능의혁신적개선을뜻한다. 즉, 차세대 2차전지는에너지밀도, 안전성, 원가의한계등을극복한신개념전지로서급진적이며불연속적인성능향상을통하여응용영역을한층더넓혀야한다. 일본신에너지산업기술개발기구 (NEDO) 는리튬이온전지가이론적으로도달가 능한최대에너지밀도를능가하는전지를차세대전지또는혁신전지라고정의하였고, 미국에너지부 (DOE) 는현수준대비에너지밀도를 2배로올리면서, 원가를 70% 낮추는전지를차세대전지라고정의한다. 6 즉, 차세대전지는현재기술의점진적개선이아닌새로운기술혁신으로도달가능한전지이다. 성능혁신에한계가있는기존솔루션과는분명히구분되는개념이다. < 표 1> 2차전지경쟁력강화방안통합로드맵 LGERI 리포트 기업들참여가속단기적성과를보기가쉽지않고, 막대한연구개발투자가필요한데도차세대 2차전지의연구개발에글로벌기업들이적극적으로참여하고있다. 원인을살펴보자. 먼저, 에너지산업환경의변화로차세대전지에대한고객들의기대가절실해지고있다. 과거에는차세대전지개발이학계에의해주도되 기술개발목표 상용화기술 자료 : 제 8 차녹색성장위원회보고회 (2010 년 7 월 ) 목표연도 기초원천기술 (%) ( 선진국대비 ) 전기자동차용 에너지저장용 항속거리 (km) 에너지밀도 (Wh/kg) 가격 ( 만원 /kwh) 수명 ( 년 ) 5~ 가격 ( 만원 /kwh) 투자목표투자금액 ( 천억원 ) 인력양성석, 박사급전문인력 ( 명 ) ,000 6 현재리튬이온전지의에너지밀도는 100~150Wh/kg 수준이며, 이론적최대에너지밀도는 250~300Wh/kg LG Business Insight

7 막대한투자가필요한차세대전지에글로벌기업들이적극적으로참여하고있다. < 표 2> 미국의차세대전지개발로드맵 연도양극음극 2010 년 기존양극재 (Layered) 자료 : 미국 Department of Energy, 2010 년 기존음극재 는경우가대부분이었다. 수십년간연구에매달린연구진들에의해이론적으로는 매우혁신적인솔루션들이시장에소개되곤했지만, 시장흐름및사업성과동떨어 진솔루션이기에상용화에대해서는회의적시각이팽배했었다. 하지만, 시장이압 박하고있는최근상황은 혁신하면좋지만안돼도할수없는 이아닌 반드시혁신 적성능을발휘해야만 하는새로운전지를요구한다. 두번째, 대량생산이가능할정도의제품화가이루어진다면막대한성과창출이 예견될만큼차세대전지의사업성이매우매력적이다. 일본 Yano research 에의하 면 2013 년차세대전지시장규모는 6 조원에달한다. 7 장기적인성장잠재력은더 높다. 차세대전지의제품완성도가올라가면서 2020 년무려 100 조원에달하는 2 차전지시장의상당부분을점유하고, 심지어새로운시장을창출하여시장규모를 더키울가능성도있기때문이다. 차세대전지를주도하는기업이아직등장하지않은시장상황은차세대전지에 대한다양한기업들의관심을불러일으키고있다. 거대기업들이속속진입하면서 막대한연구개발투자가이어지고있다. 막강한자본력과전력산업에대한기득권 을앞세운 GE 는고에너지나트륨전지등차세대전지개발에적극투자하고있다. 석유화학업계를주도하는 BASF 도차세대전지기술개발을위해 2015 년까지 1 억 달러이상투자를발표하며에너지밀도를혁신적으로개선하는금속공기전지및 리튬황전지의연구개발에집중하고있고, Dow 는아예국내기업인코캄의미국 법인을인수하여전기자동차용전지전문기업인 Dow- 코캄을설립하여 6 억달러 에너지밀도 (Wh/kg) 150( 실제 ) 400( 이론적한계 ) 부피 (%) 2015 년고전압양극재기존음극재 년고전압양극재실리콘음극재 년고전압양극재리튬금속음극재 공기 리튬금속음극재 3,000 가격 ($/Kwh) (2014 년 ) 100~150 (2020 년 ) 7 차세대 2 차전지시장 (Yano 경제연구소, 2011 년 5 월 ) 를투자함과동시에일본의소재전문기업 우베와합작사를설립하여차세대전지의전 해질사업에도진출할예정이다. IBM 도전기 자동차의무한한성장성을선점하기위해리 튬공기전지를전략적으로개발하고있다. 이처럼차세대전지의사업매력도가올 라가면서연구개발을주도하는주체가학계 에서기업으로바뀌고있다. 또한, 기업들의 적극적투자로차세대전지의개발사이클이 8 LG Business Insight

8 단축되는변화가예상되기때문에거대기업들의참여열풍은당분간지속될것으 로예상된다. Ⅲ. 주목할만한차세대전지 차세대전지의사업성이주목받으면서연구개발을주도하는주체가학계에서기업으로바뀌고있다. 차세대전지에대한관심이집중되면서새로운전지가등장함은물론과거에소개되었던개념까지재조명받고있다. 공기를활물질로활용하는전지로서현수준대비 10배이상의성능향상이가능한금속공기전지, 전지내부물질을고체로하여안전성을혁신시킨전고체전지, 풍부한자원인마그네슘이나황을활용하여혁신적으로원가를낮춘마그네슘전지, 리튬황전지등이다. 물론, 바이러스유전자를활용하여용량을키우거나마찰이없는초전도체를활용하여사용수명을연장하는등수 많은전지솔루션이다양한매체를통해소개되고있지만, 본고에서는시장에등장 할가능성이상대적으로높고, 탁월한성능혁신가능성으로말미암아기업들의관 LGERI 리포트 심을받고있는차세대전지솔루션에한정하여살펴보자. < 표 3> 주요차세대전지의특성 차세대전지 에너지밀도 (Wh/kg) 금속공기전지 ~3,000 전고체전지 1,000~1,500 차세대나트륨계열전지 ( 용융염전해질 ) 200~250 마그네슘전지 ~600 특성 공기중산소를양극으로사용하여고에너지밀도가능 비고 IBM, BASF, 도요타자동차에의해개발중 전고체전해질기반, 양극재에 일본의도요타자동차, 유황계활용하고음극재에금속재이데미츠에의해개발중사용가능 낮은가동온도 (57~190도) 완전불연성 리튬이온전지대비 90% 저렴한원가 장수명가능 풍부한마그네슘금속활용으로저가화용이 스미토모전공에의해 2011 년 3 월개발, 2015 년상용화예정 LG 화학, 미국의 Pellion Tech 에의해개발중 LG Business Insight

금속공기전지는혁신적인에너지밀도상승이가능하기때문에 2차전지의궁극적인목표로불리기도한다. 금속공기전지, 2차전지의궁극적목표모든화학전지는양극과음극, 양극과음극사이의물질이동통로인전해질, 그리고양극과음극의직접적접촉을방지하는분리막으로구성되어있다.

9 금속공기전지는혁신적인에너지밀도상승이가능하기때문에 2차전지의궁극적인목표로불리기도한다. 금속공기전지, 2차전지의궁극적목표모든화학전지는양극과음극, 양극과음극사이의물질이동통로인전해질, 그리고양극과음극의직접적접촉을방지하는분리막으로구성되어있다. 금속공기전지는음극으로는리튬또는아연금속이, 양극으로는공기중산소를이용하는구조로서에너지밀도가기존리튬이온전지대비 10~15배까지높은특징을가지고있다. 물론리튬등금속전극이외부공기중산소와반응하기위해서는특수한탄소층및촉매가필요하기는하지만, 전지의중요한구성요소인양극활물질을공기로대체할수있기때문에전지의무게를획기적으로낮출수있고, 음극에사용되는금속만으로도용량확대가가능하기도하다. 한국과학기술평가원에의해 10년후세상을바꿀 10 대유망기술 중하나로선정될만큼금속공기전지는화학전지로서 2차전지의궁극적인목표로불리기도한다. 일본의산업기술종합연구소가 2009년에발표하기를기존리튬이온전지용량보다약 300배이상의상승도가능하다고하였다. 전기자동차의높은유망성때문에 2009년 6월 Battery 500 프로젝트를착수한 IBM은공기와리튬금속을활용한리튬공기전지개발을진행중이다. 앞으로 5년내에현재의전지보다 10배이상에너지밀도를향상한전지의시제품을개발하고, 2020년에는제품의상용화를목표로아르곤연구소등다수의미국국립연구소들과긴밀하게협력하고있다. BASF는아연금속을활용한아연공기전지를스위스에있는리볼트와함께연구중이다. BASF와리볼트의공동개발협약에의하면 BASF는재료과학및전기화학분야에집중하여아연공기전지의상용화에필요한핵심소재및부품들의개발과대규모생산에필요한설비투자를담당할것이다. 다양한차세대전지개발에참여중인도요타도새로운전해질및저비용촉매개발에집중하여앞으로 10년이내전기자동차에적용가능한리튬공기전지를연구중인것으로알려져있다. 이처럼금속공기전지의상용화에전지산업 에속해있던기업이아닌거대기업들이앞다투 스위스리볼트가개발한아연공기전지구성도 10 LG Business Insight

10 어많은자원을투자하고있고, 이러한현상은당분간지속될전망이다. 금속공기전 지의상용화가그리멀지않은느낌이다. 전고체전지, 전지전해질에고체를적용하여안전성혁신 전고체전지는전기자동차의안전성혁신에필요한전지솔루션이다. 창업단계부터전기자동차의핵심은 2차전지에있다고판단한도요타는가장많은차세대전지솔루션을직접보유하고있는기업이다. 도요타의창업주인도요타사키치회장은이미 1925년에석유에너지의한계를직감하고당시로서는막대한금액인 100만엔의상금을걸고혁신적전지의개발을독려하였다. 100만엔은당시도요타방직회사의총자본금과유사한규모의막대한금액이었기때문에수많은과학자가개발에뛰어들었고많은아이디어가모였다. 창업주가요구한 출력 100마력, 36시간동안동작가능, 그리고 25kg 미만의무게 조건을만족하지못하여혁신 전지의개발은무산되었지만, 그러한창업주의의지는아직까지도도요타를차세대 전지의최강자자리에있도록해주었다. 사키치회장의요구조건은 100 여년이지 난지금까지도도달하지못한도전적목표로서도요타는전고체전지, 리튬공기전 지, 그리고마그네슘전지등을장기적관점에서적극적으로개발하고있다. 자동차기업으로서전기자동차용 2 차전지의성능혁신이절실히필요한도요타 가가장심혈을기울이고있는전지솔루션은전고체전지다. 액체전해질로인한 리튬이온전지의폭발위험성을해결하고자황화물계고체로된전해질을활용하는 전지솔루션이다. 전고체전지는기존리튬이온전지의양극과음극사이에사용하 는불안정한전해질을완전고체로대체하여높은출력과안전성을향상할수있게 하였다. 고체전해질을사용함으로써과도한충전및내 부단락등으로인한발화가능성을원천봉쇄하였고, 생산공정도혁신적으로단순화하여획기적원가절감을 가능하게한것이다. 일본굴지의석유 화학기업인이데미츠 (Idemitsu) 도신재생에너지의기둥은전지기술이라고믿고차세 대전지로서전해액의누설걱정이없고대용량구현도 양극 전고체전지 충전 방전 고체전해질 음극 LGERI 리포트 LG Business Insight

11 일본의이데미츠는 2012년사업화를목표로전고체전지를개발하고있다. 가능한전고체전지의개발에힘쓰고있다. 이데미츠는기존 2차전지에들어있는전해질용액을황화리튬이라는고체물질로대체하였다. 황화리튬은원래석유정제과정에서발생하는유황을활용한기능성수지의원료이다. 이데미츠는우연한기회에황화리튬이순도가높고이온활동성도좋다는사실을알게되었고, 이를 2 차전지에응용하는연구를 2001년부터오사카대학과공동으로시작하여 2004년에는세계최초로기존의전해질용액과같은수준의이온전도도를보유한고체를개발하게되었다. 이미고체전해질로서황화리튬의제조기술을확립한것으로알려진이데미츠는열에강하고고전압특징을가진전고체전지를자동차, 산업기기등에폭넓게사용할수있다고판단하고 2012년사업화를목표로개발완성도상승에심혈을기울이고있다. 한편, 아직본격개발단계는아니지만, 삼성종합기술원도일본에소재한요코하마연구소와공동으로고체전해질을연구중인것으로알려져있다. 대용량에너지저장에적합한차세대나트륨계열전지 나트륨계열전지의대표주자는 2006년에이미상업화된일본의 NGK 가개발한 NaS 전지다. NaS 전지는양극에황을사용하고, 음극에나트륨을, 전해질에세라믹고체전해질을사용하는데, 양극과음극사이를나트륨이온이이동하면서충전과방전을반복하는원리이다. NaS 전지는납축전지보다에너지밀도가 3배이상이고, 15년이상의오랜수명을유지할수있는대용량에너지저장에적합한솔루션이다. 문제는작동을위해서는나트륨의용융상태를유지해야하고, 300도가넘는고온이필요하다는것이다. 고온을유지하기위해높은운영비용이필요하고, 화재예방시설도필요하다. 일본에서 NaS 전지는실내에설치가금지될정도로위험한전지솔루션으로분류되기도한다. 차세대나트륨계열전지는 NaS 전지운영상의위험성을개선하면서대용량에너지저장에적합한장점은유지하는방향으로개발이진행되고있고, 대표적으로 GE 가개발한고에너지나트륨전지, 일본의스미토모전공이개발한용융염전해질나트륨전지가있다. 공통점은나트륨이온의이동을통해전자가발생하는구조이다. 12 LG Business Insight

12 2007년영국의 Beta R&D를인수하여나트륨전지개발을시작한 GE는이미 1억 6천만달러를투자하여생산설비를갖추고있다. 사실, GE처럼다양한사업모델을수립하여전지산업에진출해있는기업을찾기도쉽지않을것이다. GE는미국최대의리튬이온전지기업인 A123의최대지분을보유하고있으 GE 의차세대나트륨전지 며모바일용전지와전기차용전지의시장상황을주시하면서, 전력저장용대용량전지개발에막대한금액을투자하고있다. 이와같이 GE는 2차전지시장에서유망하다고전망되는모든세분시장에거대자본을발판으로진입해있는기업이다. GE가개발중인고에너지나트륨전지는상대적으로낮은작동온도와 MW급이상의대용량과높은출력특성이가능하기때문에 GE가기존에보유하고있는발전및전력인프라사업경험을활용하여신재생에너지, 스마트그리드관련제품및서비스와연계된사업을전개하기에매우유리한전지솔루션이다. GE는고에너지나트륨전지를철도, 해상용, 광산용차량등에적용하여전지산업의획기적인전환점을만들것으로전망되기도한다. 일본의스미토모전공도소재혁신을통해나트륨계열대용량전지개발에몰두하고있는기업이다. 2011년 3월에발표한용융염전해질나트륨전지는기존나트륨계열전지의단점이던 300도이상의높은가동온도를 57도까지낮추어이로인한발화가능성을제거하였다. 폭발을방지하기위한방폭장치, 폭발을대비하는소화장비등이필요없어서소형전지팩도개발이가능하다. 리튬이온전지와비교해도에너지밀도는 2배이상, 원가수준은기존리튬이온전지대비 10% 수준에불과한용융염나트륨전지의상용화를위해스미토모전공은앞으로전지의시스템화기술을확립하여전력망, 가정전력저장용등으로상품화할계획이다. 차세대나트륨계열전지개발은운영상의위험성을개선하면서대용량저장에적합한장점은유지하는방향으로진행되고있다. LGERI 리포트 마그네슘전지, 풍부한마그네슘자원활용가능성이장점 마그네슘전지는음극에마그네슘을사용하여전자의이동량을증가시켜기존전지 대비에너지밀도를획기적으로올릴수있는전지솔루션이다. 리튬이온전지에서 LG Business Insight

13 마그네슘전지는용량의향상과가격의하락을동시에실현시킬수있는전지이다. 전류를만들때리튬은 1개씩만전자를움직이지만, 마그네슘은 2개씩움직일수있어서이론적으로는용량을두배이상으로확대할수있다. 저렴한마그네슘을사용하였기때문에저가화도가능하고, 또한용량의감소없이수천번의재충전도가능하고, 작동온도범위도넓은편이다. 마그네슘전지는미국바일란대학의 Aurbach 교수가최초개발하였고, 곧이어상용화를목적으로벤처기업을세워전용양극재개발을진행중이다. 일본교토대학의아베교수도양극에산화물, 음극에마그네슘을이용하는다가 ( 多價 ) 이온전지로서마그네슘전지를개발중이며이는일본국책과제로지정되어추가투자가수행될것으로보인다. 국내에서는 LG 화학이핵심소재개발을통해시제품을개발중이다. Ⅳ. 차세대전지의높은잠재력에주목해야 차세대전지로인한전지산업의변화기업들의빠른발걸음으로먼미래의일로예상되던차세대전지의상용화가앞당겨지고있다. 빠르면 2세대전기자동차가등장하기시작하는 2015년, 늦어도신재생에너지의본격확대가예상되는 2020년에는차세대전지의등장이가시화될것으로보인다. 차세대전지와함께하는 10년, 전지산업은어떻게변화할까? 먼저, 차세대전지로인해시장창출이지속적으로이뤄지면서전지산업의외형이더욱확대될것으로보인다. 지금까지 2차전지의시장은모바일 IT 기기, 출퇴근용소형전기자동차, 비상전원공급용축전지에한정되었지만, 차세대전지의혁신적성능은전지시장의저변을확대하며기존시장의틀을깨고새로운수요창출도가능하게할것이다. 예를들어, 차세대전지는상용차나철도, 선박등대형수송수단에사용됨은물론, 주거및상용빌딩의냉난방및공조에필요한능동적에너지제어도구, 그리고서비스로봇등다양한영역에서사용될전망이다. 저장용량의한계로송배전단계에서만사용되었던에너지저장시스템도차세대전지를통해발전소영역까지 14 LG Business Insight

14 진출하여전력산업의모든단계에서전력의효율성제고에이바지할것이다. 두번째, 전지산업의매력도상승으로기업간경쟁은더욱치열해질것이다. 이미진입을시작한석유 화학기업, 자동차기업들에이어에너지및자원기업, 건설사, 전력기업들도기회를찾아진입할것이며연구개발과설비투자에대한규모도지금과는차원이달라진다. 물론사업의리스크도더커진다. 품질사고에대한리스크뿐아니라기술혁신의속도가가속화되면서기술의불확실성상승, 다양한사업모델등장에따른사업의복잡성이크게증대할것이기때문이다. 마지막으로, 전지산업의속성이변화할것이다. 모바일기기에전기에너지를공급하는정보전자부품산업에서전기자동차, 에너지저장시스템등에에너지솔루션을제공하는에너지산업으로진화하면서성격이달라질것이기때문이다. 따라서모바일기기산업에갇혀있던전지산업에대한인식, 전지사업을수행하는마인드및접근방법등도바뀌어야할것이다. 차세대전지로인해전지산업의외형이더욱확대될것이며, 전지산업의속성도크게변화할것이다. 국내기업들도적극적으로참여해야 LGERI 리포트 최근리튬이온전지산업에서한국기업의선전에대한잇따른낭보가들려오고있 다. 소형리튬이온전지의시장점유율측면에서드디어일본기업을능가하였고, 전 기자동차용전지에서도계속되는글로벌자동차기업과의제휴소식은한국전지 기업의미래에장밋빛그림을그려주고있다. 8 하지만, 환경이변하면서 2 차전지에대한사용자들의불만이가중되는이때우 리의경쟁력이무엇이고, 어떻게하면지속가능한성장을이룰수있는가에대해 되짚어볼필요가있다. 한국전지기업의차별적강점은공정혁신을통한효율적 생산, 규모의경제에의한원가경쟁력이다. 지속성장을가능하게해주는기초소 재기술이나차세대전지개발역량은많이부족한상황이다. 9 최근한국전지기업의약진에위기의식을느낀일본기업들은과거와는달리생 산성향상, 원가절감등에좀더힘을쏟는분위기지만, 그렇다고차세대전지에대 한자원투입을줄이지는않는다. 사업성과를위해서는소재혁신보다는생산성혁 년 2 분기에한국이일본을누르고리튬이온전지시장점유율 1 위등극전망 ( 니혼게이자이, 2011 년 6 월 14 일 ) 9 지식경제부가발표한주요국가별리튬이차전지기술수준비교에의하면우리나라의부품소재및원천기술경쟁력은일본의 30~50% 수준 LG Business Insight

15 확장하는전지시장의주도권을확보하기위해서는차세대전지개발에적극적으로참여해야한다. 신이옳은방향이겠지만, 그렇게만전지산업이흘러간다면전지자체의발전을찾기는쉽지않을것이다 라고언급한소니출신의 2차전지전문가의견해는차세대전지에대한일본전지업계의분위기를대변해준다고할수있다. 10 우리나라전지기업의소재역량이약하다는평은어제오늘얘기가아니다. 극복방안도원론적인접근외에는별다른해답이보이지않는다. 하지만, 부족한소재역량으로인해차세대전지에서창출되는무궁무진한기회를포기할수는없다. 안되는이유만을나열하기보다는우리의강점인전지의제품화역량을기반으로소재전문기업과의제휴등적극적으로소재역량을발굴하여차세대전지의상용화를주도한다면취약한소재경쟁력도비교적빠른기간에확보할수있을것이다. 에너지산업의패러다임이 석유의시대 에서 전지의시대 로바뀌고있다. 11 자원을많이보유하고발굴함 에서 에너지활용도의극대화 로탈바꿈하는시점에서에너지산업의기존질서를무너뜨리고미래에너지원으로주목받는 2차전지산업의주도권을국내기업들이확보하기위해서는차세대전지에주목해야할필요가있다. 힘겹게획득한소형 2차전지시장의주도권을발판으로새로운시장에서도주도권을유지하는방편으로소재기술혁신을통한차세대전지개발과생산성혁신 을위한공정기술간의균형을맞추는것에대해고민이필요한시점이다 IIT 보고서 (2011 년 6 월 ) 11 " 전지를제패하는자가세계를제패한다 "( 닛케이비즈니스, 2008 년 9 월 ) 16 LG Business Insight

2010 산업원천기술로드맵요약보고서 - 화학공정소재

2010 산업원천기술로드맵요약보고서 - 화학공정소재 - 2010. 7 본요약보고서는한국산업기술진흥원주관으 로수립되고있는 2010 년도산업원천기술로 드맵의일부내용을발췌한것입니다. 산업원천기술로드맵전체내용을담은 2010 산업원천기술로드맵보고서 는오는 8월한국산업기술진흥원홈페이지 (www.kiat.or.kr) 를통해공개될예정입니다. 목 차 Ⅰ. 화학공정소재산업의정의및범위