2016. 9. 7 (16-69 호 ) : 전기자동차가견인하는전지시장의변화 리튬이온전지로수렴하는이차전지시장 전기자동차가견인하는이차전지시장의성장 리튬이온전지를넘어서기위한다양한시도
[Summary] 약 150여년전납축전지의발명으로충전과방전을반복하는이차전지시장이개화 납축전지, 니켈계열충전지, 리튬이온전지등이순차적으로상용화 가볍고에너지밀도가높은리튬이온전지는휴대용기기의확산과더불어사용처확대추세 작은전지들을묶어큰용량으로만드는팩기술을통해전기자동차용배터리로사용되는리튬이온배터리는전기자동차성능개선에크게기여 휴대전화의 7천배용량의이차전지를탑재하는전기자동차의확산으로이차전지시장이더욱확대될것으로기대 리튬이온전지시장은 IT기기를중심으로최근 3년간두배이상성장 대량생산을통해리튬이온전지가격이지속하락하여전기자동차가격을인하 한국 / 일본 / 중국이과점하는리튬이온전지시장에서각제조사들은전기자동차메이커들과협력을강화하고신규투자확대, 인수 합병을통해가격 / 기술경쟁력을제고 전기자동차로인한이차전지시장의확대로기존제품의성능개선및에너지생산과저장을위한다양한시도들이활발 수소연료전지, 나노플로우셀등전기자동차용신규에너지공급방식, 나트륨이온전지등리튬이온전지의대체방안연구, 플렉서블이차전지등성능개선시도 리튬이온전지로수렴하는이차전지시장 전기를저장하고장소를옮겨가면서반복적으로사용할수있는이차전지시장은 1859년프랑스플랑테의납축전지의발명으로개화 150년이상사용되고있는납축전지는무거운무게와낮은에너지밀도에도불구하고간단한구조와낮은가격, 오랜기간사용을통해인정받은안정성을기반으로여전히수송기기의 SLI(Starting, Lighting, Ignition) 용도로광범위하게사용 1899년발명된니켈계열충전지는납축전지에비해가볍고에너지밀도가높으며, 낮은온도에서높은안정성을보여전동공구등에사용, 포터블기기시대를열였으나리튬이온전지의상용화로사용영역이축소 1991년일본소니가상용화한리튬이온전지는폭발위험과높은가격에도불구하고높은에너지밀도, 긴수명, 니켈계열충진지에서보이는메모리현상이없어휴대전화, 노트북의대중화와더불어대폭확산 * 메모리현상 : 잔량이남은상태에서충전시가용용량이줄어드는현상 1
[ 그림 1] 납축전지와리튬이온전지비교 납축전지 ( 델코차량용배터리 ) - 용량 : 40Ah - 무게 : 약 10kg 리튬이온배터리 ( 샤오미보조배터리 ) - 용량 : 16Ah - 무게 : 3.41g * 18650 cell 5 개로구성 휴대용기기에서주로사용되던리튬이온전지는제품표준화를통한대량생산과기술개발을통해가격을낮추고성능을더욱안정화하여활용처가확대되는추세 노트북등기존사용처이외에도드론, 웨어러블기기, IoT 센서등이동성을위한제품의경량화가중요한새로운시장이개화 부피, 무게및충전시간의이점으로니켈계열충전지시장뿐아니라수송기기및전기저장장치 (ESS, Energy Storage System) 용도의납축전지시장도차츰잠식 - 산업기기의전장화, 비행기 / 버스에서승객의전기사용량증대에따라납축전지만으로는전기수요충족에한계 - 1996년 GM의전기자동차 EV1은납축전지를, 1997년일본프리우스는니켈계열충전지를사용하였으나, 최근볼트와프리우스는리튬이온전지를도입 전지자체의성능개선뿐아니라, 표준화된작은전지들을묶어큰용량으로만드는팩기술의발달로출력을확대하고다양한활용이가능해짐 - 테슬라모델S는 6천여개의 18650 리튬이온전지를사용하여한번충전에 506km, 제로백 2.5초의성능을기록 * 18650 전지 : 두께 18mm, 길이 65mm 인원통형표준전지 [ 그림 2] 테슬라전기자동차의리튬이온배터리 2
정보처리 / 저장 / 전송등 ICT 기술들의발전속도에비해이차전지성능개선이더디게진행되면서전지상태를최적화하고전기사용을최소로하는기술이주목 메모리용량이나 CPU의속도가 18개월마다두배로늘어난다는무어의법칙 1 에비해리튬이온전지의에너지밀도는 1991년부터 15년간킬로그램당 88Wh에서 202Wh로두배가량증가하는데그침 배터리관리시스템 (BMS, Battery Management System) 은리튬이온전지의상태최적화를통하여효율성을향상시키고기능적안정성을확보하여주는기술로전기자동차와전력저장장치분야에서중점운용 - 배터리상황을모니터링하고평가하는기능이나충전및방전관리기능, 밸런싱기능, 이상상황발생을판단하여보호하는기능등으로구성 800 [ 그림 3] 이차전지와무어의법칙비교 [ 그림 4] BMS 모듈 600 무어의법칙 400 리튬이온전지 에너지밀도 200 - 자료 : KB 경영연구소 (1991 년 =1 로지수화 ) 자료 : 파워로직스홈페이지 전기자동차가견인하는이차전지시장의성장 리튬이온전지시장은휴대전화등 IT기기를중심으로 2012년 41GWh에서 2015년 83GWh로두배이상증가 2 같은기간전지가격은 1kWh당 287달러에서 197달러로 2/3 수준으로하락 휴대전화의 7,000배, 노트북의 700배용량의이차전지를탑재하는전기자동차의확산은이차전지시장을폭발적으로성장시킬것으로기대 특히정부의의지가강하게반영되는전기버스는승용차의열배용량을사용하여각국정부의이차전지정책을직접적으로노출 - 중국정부는홍콩전기버스폭발사고이후에너지밀도가높은 NCM방식의배터리에대해보조금을지급을제외 ( 국내기업은 NCM방식의리튬이온전지에주력 ) 1 2000 년이후황의법칙에따라메모리용량이두배로늘어나는기간이 1 년으로단축 2 SNE 리서치 3
시장의확대와더불어리튬이온전지의가격또한연평균 10% 수준으로지속하락이전망되며, 테슬라의기가팩토리운영등규모의경제확산으로급격한가격하락을보일수도있음 - LG화학에서이차전지를납품받는 GM은 2020년경에나달성가능할것으로예상되던가격인 145달러 /kwh를 2016년공급받을가격으로발표하여시장에파장 [ 그림 5] GM의배터리수급비용전망 시장조사기관들은전기자동차확산에힘입어 2020 년까지글로벌리튬이온전지 시장은연평균 30% 에달하는높은성장세를보일것으로기대 리튬이온전지시장은한국과일본, 중국이세계시장을과점하고있으며, 경쟁구도는향후전기자동차시장에대한대응에따라변화될것으로전망 글로벌전자기업을캡티브마켓으로보유한국내기업들은우수한기술력을바탕으로글로벌전기자동차메이커들과의협력강화를추진 * 캡티브마켓 : 계열사내부시장 (ex 삼성 SDI 이차전지의주요고객인삼성전자 ) - 2016년상반기전기자동차배터리생산 10대업체에한국은 LG화학, 삼성 SDI, SK이노베이션이포함 - 하지만핵심부품은일본에서수입하는형편으로, 매출이증가할수록대일적자폭이확대되는구조 이차전지핵심기술을다수보유한일본은한국에뒤쳐진리튬이온전지시장에서전기자동차시장확대를기회로적극적공략을추진 - 전기자동차용이차전지분야의선두인파나소닉은테슬라에배터리를납품하고있으며, 테슬라의전기자동차에사용될이차전지생산공장인기가팩토리에지분참여로이차전지시장의헤게모니장악을도모 - 전자부품분야에서세계최고의기술력을가진무라타제작소는소니의리튬이온전지사업을매입, 자사의슈퍼캐패시터기술과접목할것으로예상 * 슈퍼캐패시터 : 회로에전기에너지를저장하여순간적인고출력을내는기기 4
중국의이차전지기업들은정부의차별적보조금정책을기반으로내수시장을 장악하면서기술을축적하고빠른속도로성장 - 중국전기자동차시장은세계에서가장크고빠른속도로성장하고있으며, 특히전기스쿠터와 LSEV 분야에서는세계시장의대부분을장악 * LSEV(Low Speed Electric Vehicle) : 저속, 짧은주행거리, 작은크기의전기를사용한이동수단 - 중국정부는지난 6 월한국기업등외자기업을전기자동차보조금과연계된 배터리모범규준인증 에서제외하는등자국배터리산업보호를강화 [ 그림 6] 세계전지차배터리시장점유율 [ 그림 7] 중국의전기자동차시장 15.5 13.6 75.9 84.0 33.3 35.2 65.3 59.1 30.6 61.1 3.8 8.3 2010 2011 2012 2013 2014 ( 천대 ) 350 300 250 200 150 100 50 0 국가별비중 (%) 한국 일본 중국 기타 글로벌전기차 등록대수 ( 우 ) 세계시장에서중국비중 신규등록대수 ( 천대 ) 자료 : Chosum.com(SNE 리서치재인용 ) 자료 : IEA Global EV outlook 2016 2016.6 8.0% 15 73 22.5% 207 2013 2014 2015 37.7% 리튬이온전지를넘어서기위한다양한시도 이차전지시장확대는주력제품인리튬이온전지의가격하락과성능개선뿐아니라, 새로운에너지저장및사용을위한다양한시도를가능하게하는토양으로작용 수소연료전지 : 수소연료전지를사용한친환경자동차들이이미상용화 - 수소를주입하여공기중산소와의산화 / 환원반응을통해전기를얻고물을배출하는방식 - 2013년현대자동차, 2014년토요타에서양산형모델을출시. 50g 이상의백금이연료전지에사용되어가격이높으며, 생산 / 저장 / 수송이까다로운수소의특성으로대중화에장애가있으나지속적인연구개발과인프라구축을시도중 나노프로우셀 : 나노플로우셀기술을이용한자동차시범운행중 - 전기화학전지와연료전지의특징을합친것으로양전하와음전하를탱크에주입한뒤이를순환시켜전기를생성. 주유하듯기존용액을빼내고새용액을주입하는방식으로운영하여충전시간을단축 - 유럽의 Nanoflowcell 社가개발한전기자동차 콴티모 는최고 74km/h 속도 로 14 시간연속주행에성공 5
나트륨이온전지 : 프랑스에서양산에성공하였으나아직은부족한성능 - 지구상에풍부한나트륨을사용하여수급불안과수요팽창으로최근 1년간 3 배가량오른리튬을대체할수있을것으로기대 - 지속적인연구개발이이루어지고있으나리튬이온전지대비낮은에너지밀도에따른높은무게와짧은수명은해결해야할과제 플렉서블이차전지 : 시장발전가능성에주목하여지속연구 개발지속 - 웨어러블기기의발전으로휘는디스플레이와더불어수요가강화되고있으나, 액체전해질을사용하는기존리튬이온전지의모양을단순변형할경우폭발의위험성이존재 - 휘어있는채로양산되는커브드전지뿐아니라, 케이블또는천과같이부드럽게휠수있는전지, 나노기술을활용하여종이등에출력할수있는전지, 알루미늄을활용한전지등이연구되고있는중 [ 그림 8] 나노플로우셀차량콴티모 [ 그림 9] 플렉서블이차전지 자료 : 인터넷 자료 : LG 그룹 Blog 리튬이온전지를도입하면서전기자동차시장이본격적으로열렸고, 전기자동차의확산은이차전지의발전을가져오는선순환체계가성립 전기자동차원가의약 40% 를차지하는이차전지는주행거리와출력등주요성능을결정하며, 에너지밀도와출력확대, 가격인하를위한기술개발이지속 또한산업기기시장에서의사용확대를위한안정성과내구성면에서더욱신뢰할수있는기술이요구 현재주목받고있는의료와 IoT 산업의발전은작고가볍고안정적인이차전지기술에의존하므로, 관련산업의성장을이끌게될이차전지의발전이더욱기대 < 연구원이택수 (taeksu.lee@kbfg.com) 2073-5783> 6