최정덕하일곤 1. 2 차전지의진화다이나믹스 2. 차세대전지의개발필요성증대 3. 차세대전지의유력후보및개발동향 4. 시사점 2017. 1. 16
요약 지금까지 2 차전지산업은기술의발전과참여기업간경쟁격화, 새로운니즈의발생과기존기술발전의한계노출이라는과정을반복적으로겪으면서진화해왔다. 휴대용전자기기와전기차의핵심부품으로자리잡은리튬이온전지도시장에등장한지 20 여년이지나면서변화의조짐이나타나고있다. 중국을중심으로한전지기업간의경쟁이격화되고있고, 리튬이온전지의성능향상의기술적한계도예상된다. 특히액체또는겔타입전해질을쓰는리튬이온전지는발화및폭발의위험성, 낮은내충격성등안전성에대한태생적인한계를가지고있다. 다양한기업들이전고체전지, 리튬 - 황전지, 나트륨 / 마그네슘이온전지, 리튬 - 공기전지등차세대 2 차전지후보기술들을개발하고있다. 최근에는이중에서도전고체전지가차세대전지의유력후보로서압축되고있는모습이다. 전고체전지는액체전해질을고체전해질로대체하는것으로기존리튬이온전지의액체전해질이가지고있는발화, 폭발등의위험성이낮다. 외부충격에의해기기가파손되더라도전해질의누액이나폭발의위험성을획기적으로줄일수있고고온이나고전압의사용환경에서도전지의성능저하를막을수있다. 특허출원건수도전고체전지관련출원이다른차세대전지후보기술들보다압도적으로많다. 전고체전지의특허출원건수는두번째로많은리튬 - 공기전지보다 3 배가까이높은수치를보이고있다. 자동차기업으로차세대전지개발에적극적인도요타의경우차세대전지출원중 70% 정도가전고체전지에집중되어있다. 전고체전지로압축되고있는모습은혁신진화의동적모델을통해서도알수있다. 전고체전지의경우개발의초점이제품자체의혁신보다이미공정혁신에맞춰져진행되고있다. 기업간전고체전지의개발경쟁도격화되고있다. 전고체전지개발에적극적인기업들은 3 가지유형으로나타나고있다. 다이슨, 도요타등자사제품의경쟁력을강화하기위해차세대전지의내재화를추진하고있는기업, 전고체전지를기반으로초소형전자기기, 산업용로봇등특정어플리케이션중심의시장을목표로사업을확장하려는기업, CATL, 소니의전지사업을인수한무라타등과같이전지산업의시장지위를강화하거나회복하기위해전고체전지를개발하려는기존전지기업들이다. 전고체전지의소재와제조공정은기존전지사업에서축적된경험과역량의진부화를가속시킬가능성이있다. 전고체전지의시장진입은 2 차전지산업의불연속적인변화를촉진시킬것으로예상된다. 차세대전지기술이전체프로세스에대한완결적인이해와일정기간동안의축적된경험과노하우가중요한아날로그특성을가지고있다는점을고려했을때, 개발타이밍을놓친기업은단기간에회복할수없는상당히큰타격을입을가능성이있다. 불확실한미래준비차원에서접근했던차세대전지개발이시장선도및차별화우위를위한필수기술로서자리매김할가능성이높다. 현재리튬이온전지시장에서경쟁우위를점하고있는국내기업들도경쟁구도다변화에대한적극적인대응이필요한시점이다. 1
1. 2 차전지의진화다이나믹스 우리일상에서에너지를저장하고사용하는일은이제생활의일부분처럼자연스럽게느껴진다. 이는지난 120여년동안납축전지로부터시작해서니켈계전지를거쳐서리튬이온전지로진화발전해온 2차전지덕분에가능했던일이다. 2차전지는과거자동차에비상전원을공급하는보조적인역할에서지금은휴대용전자기기와전기차의핵심부품으로자리잡았다. 2차전지산업의진화과정을살펴보면 1신규수요의등장, 2새로운전지기술의채용, 3참여기업확대에따른경쟁격화, 4빠른기술발전으로인한기술적한계노출의순으로유사한과정을밟아온것을알수있다 ( 차트 1 ). 2 차전지산업의진화역사 1 1900 년대 1950 년대 1990 년대? 납축전지니켈계전지리튬이온전지 차세대전지 수요 자동차 산업기기 휴대용전자기기 전동공구 HEV 휴대폰 태블릿, 노트북 xev 모바일기기 초소형전자기기 xev 요구기능 기기의상시전원공급 전자기기의이동성부여 고용량, 경량화, 소형화 고안전성, 초소형화, 플렉서블, 고용량, 장수명 주요기업 Johnson Controls, Exide, GS Yuasa Saft, Sanyo, Toshiba, Panasonic LG 화학, 삼성 SDI? (1) 자동차의역사와함께한납축전지 1900년대자동차와함께납축전지도시장에등장했다. 기본적으로주행중의에너지공급은자동차의발전기로가능했지만, 자동차엔진의시동을걸어주고, 엔진이꺼졌을때조명용비상전원공급을위해서는추가적인전력원이필요했다. 이러한역할을납축전지가담당했다. 구조가간단하고, 다루기쉬우며, 대량생산이용이한장점으로납축전지는자동차의보급확산과함께점차시장을넓혀갔다. 자동차시장이커지면서많은기업들이납축전지생산에나섰고, 기업들간의기술개발경쟁또한치열해졌다. 차량의한정된공간속에서높은출력을얻을수있고, 자동차부품으로서의신뢰성을높이려는기술개발이이루어졌고이에따라극판소재개발, 박막화등의진전이있었다. 하지만, 납축전지는반응원리상활성물질의변경이어려워부피나수명측면에서큰진보는이루지못했다. 또한, 원재료비변화 2 LG 경제연구원
에따른실적변동성리스크가존재해영세기업들은사업을영위하기점차힘들어졌고, 상위기업중심으로인수, 합병이진행되며납축전지산업의구조개편이이뤄졌다. 납축전지는큰부피와짧은수명이라는태생적한계를극복하지못했지만자동차와산업기기등의구동에필요한보조적인역할을수행하며수요시장의성장과함께 2 차전지산업성장을이끌어왔다. (2) 휴대용전자기기의등장과함께한니켈계전지 1948년에발명된니켈카드뮴전지는전자기기에이동성을부여했다. 납축전지는큰부피와짧은수명으로인해제한적인영역에서만활용되었지만작고가벼운니켈카드뮴전지는휴대용면도기, 무선전화기, 전동공구등에서유선기기대비성능의차이를최소화하면서이동성을부여하는데성공했다. 프랑스의사프트 (Saft), 독일의바르타 (Varta) 외에일본의산요 (Sanyo) 등의적극적인전지개발에힘입어, 40여년간니켈카드뮴전지는 2차전지시장의주력솔루션으로수요시장의새로운영역을창조하는데주도적인역할을수행했다. 하지만, 니켈카드뮴전지는완전히방전시키지않고충전을하면전지성능이저하되는단점과인체에유해한카드뮴을사용한다는문제를지니고있었다. 일본의도시바 (Toshiba) 와파나소닉 (Panasonic) 은 1990년니켈카드뮴전지의단점을보완한니켈수소전지를개발하는데성공했다. 니켈수소전지는니켈카드뮴전지보다약 2배에달하는에너지용량과안전성을바탕으로휴대전화, 노트북등새로등장한전자기기에채용되기시작했다. 하지만, 1990년대중후반이후에너지밀도의향상이더이상큰폭으로개선되지않아폭발적인채용증가가이루어지지는못했다. (3) 더가볍고, 더작고, 더오래사용가능한리튬이온전지휴대용전자기기사용자들은기기를편리하게, 잦은충전없이오래쓰기를원한다. 하지만시장에서널리사용되는니켈계전지로는한번충전해서사용할수있는시간과수명이짧아소비자들이휴대용전자기기를사용하는데불편함이많았다. 시장에서요구되는수준의휴대용전자기기를만들어내기위해서는새로운성능의 2 차전지가필요했고, 유럽, 미국, 일본등전세계적으로고성능전지개발을위한경쟁이가속되었다. 1991년소니 (Sony) 가기존전지보다수명이길고, 더오래사용할수있는리튬이온전지를개발하면서개발경쟁이마무리되었고, 자연스럽게 2차전지의세대교체가시작되었다. LG 경제연구원 3
리튬이온전지는간헐적이고반복적인충전에도성능의감소없이사용할수있고, 셀당전압이니켈계전지에비해 3배이상크다. 3개의니켈계전지를하나의리튬이온전지로대체할수있었기때문에휴대용전자기기의필수품으로자리잡았다. 당시최대수요시장중하나였던노트북의경우, 1990년대중후반하이엔드기종을시작으로리튬이온전지로의대체가진행되었고, 2000년대중후반에는전기종에서리튬이온전지로의대체가이뤄졌다. [1] 2. 차세대전지의개발필요성증대 휴대용전자기기와전기차의핵심부품으로자리잡은리튬이온전지도시장에등장한지 20여년이지나면서 2차전지산업에변화의조짐이보이고있다. 중국을중심으로전지기업간경쟁이격화되고있고, 머지않아리튬이온전지의기술적한계도예상된다. 또한, 리튬이온전지로는새롭게형성되는시장니즈를충족하기어려울것으로예상돼차세대전지에대한개발필요성이커지고있다. (1) 전지기업간경쟁격화 2000년대소니, 산요, 파나소닉등기술적우위를지닌일본기업이시장을주도했다면, 모바일 IT 시장이급성장한 2000년대후반에들어서는대량의수요기반을지닌한국기업중심으로경쟁의축이옮겨갔고, 2010년대중반이후에는중국세트기업의성장과더불어중국전지기업들중심으로시장이재편되고있다. 리튬이온전지시장중가장큰규모를차지하는모바일용시장에서중국기업의독주가이미시작되었다. 각형전지시장의경우비야디 (BYD), 리센 (Lishen) 이, 폴리머전지시장의경우 ATL 1 이매출규모에서이미한국및일본전지기업을추월했고, 그격차를조금씩확대하고있는상황이다. 향후최대수요시장으로주목받는전기차용전지시장의경우에도중국이최대수요국가로부상하고있으며, 정부주도의전지기업육성까지이뤄지고있어한국기업들이선발기업으로누리던프리미엄이빠르게사라지고있는상황이다. 특히, 중국정부주도의전지기업육성으로업체간성능및품질대응력이빠르게상향평준화되고있다. 중국정부는자동차배터리규범조건중연간생산능력을 8GWh 이상으로규정하면서자국기업을글로벌경쟁력을갖춘기업으로육성하겠다는의지를확실히하고있다. 중국화학물리전원산업협회의류엔롱사무총장은 1 Amperex Technology Limited 4 LG 경제연구원
2016년 11월중국배터리시장구조의시급한재조정필요성을언급하면서경쟁력이떨어지는소규모기업은합병과구조조정을거치게하겠다는입장이다. 앞으로한국및일본전지기업이글로벌경쟁력을갖춘중국전지기업의거센공세에직면하게되는것은시간문제로보인다. (2) 리튬이온전지, 기술적한계도달임박리튬이온전지의빠른발전으로용량이나안전성개선의한계가명확해지고있다. 최근전지개발은에너지밀도향상및원가절감에집중되어왔다. 도이치뱅크 (Deutsche Bank) 에따르면최근 5년간전기차용전지의경우경쟁격화로인해용량은약 50% 증가한반면, 원가는 30% 이상하락하였다. [2] 전지개발경쟁이계속되는상황이지만현재기술기반으로는성능차별화를확보하기가점점어려워질것으로보인다. 폭스바겐 (Volkswagen), 닛산 (Nissan) 등주요자동차기업과보쉬 (Bosch) 등주요자동차부품기업들은향후 5~7년안에리튬이온전지의용량이한계에도달할것으로예측하고있다 2 ( 차트 2 ). [3] 이러한기술개선의한계로전기차시장의주도권을잡기위한전지기업들간경쟁은가격경쟁중심으로펼쳐질가능성이높은상황이다. 리튬이온전지가지닌안전성문제도아직완벽하게해결되지못하고있다. 액체또는겔타입전해질을쓰는리튬이온전지는특성상발화및폭발의위험성, 낮은내충격성등안전성에대한태생적인한계를가지고있다. 소니가과충전, 과전압, 과전류방지를위한보호회로를개발한이후현재까지보호회로적용을통해안전성을확보하 보쉬의전지기술전망 2 부피에너지밀도 (Wh/L) 1,500 전고체전지채용된 EV, 양산 (2020 년이후 ) 리튬이온전지 차세대전지 New type 양극재 2025 년이후 1,000 500 0 리튬이온전지한계 PHEV 2020 년 ~400Wh/L 200 EV 2020 년 ~800Wh/L 리튬 - 황 2025 년이후 400 600 800 무게에너지밀도 (Wh/kg) 자료 : 보쉬, University of Michigan Transportation Research Institute Conference(Powertrain strategies for the 21st century: Next generation electric vehicle strategies, 2016. 7.) 2 일본의 NEDO( 신에너지산업기술종합개발기구, 에너지환경분야와산업기술을담당하는독립행정법인 ) 는리튬이온전지에너지밀도의한계수준을 250Wh/kg 으로산정 LG 경제연구원 5
고있다. 하지만, 단위전지셀자체의안전성이해결되지않는이상추가적인기구물과비용이들어갈수밖에없는상황이다. 이처럼리튬이온전지에서안전성은원가경쟁력과밀접하게연결되어있다. 계속이어지는원가경쟁의압박속에서전지기업들이안전성이라는잠재적불안요소를어떻게든해결해야하기때문이다. (3) 새로운수요에대응하지못하는전지개발의 Mismatch 모바일시장에서는기존제품에대한수요가위축되는가운데새로운어플리케이션에대한갈증이커지고있는상황이다. 향후모바일기기에서지각변동을일으킬요소중하나로폼팩터의변신을꼽고있다. 이러한변화는뛰어난기능못지않게생각지못한디자인에의해촉발될가능성이높다. 슬림하면서도휘어질수있고, 한정된공간에서더많은에너지를저장할수있는전지의개발은새로운시장확산을위한촉매제가될전망이다. 시장조사기관가트너 (Gartner) 도이러한변화가리튬이온전지가아닌새로운구조나소재가적용된차세대전지의등장에의해가능해질것으로예상하고있다. [4] 자동차시장에서는현재리튬이온전지기반으로 500km 이상의주행거리는가능할것으로전망되나, 전기차보급이확대될수록 3 차량시스템의성능및안전성개선을위해자동차기업의새로운전지개발필요성은커질것이다. 자동차기업들은차량시스템을더욱간소하게구성하고, 안전성문제로제한을두었던전압, 전류, 온도등의사용제한폭을완화하기위해서단위전지셀단위에서의안전성확보가필요하다는입장이다. 시장조사기관럭스리서치 (Lux Research) 는 2023~2025년사이에럭셔리자동차기업중심으로하이엔드모델부터차세대전지를채용할것으로전망하고있다. [5] IoT, MEMS 4 등초소형전자기기의등장과더불어이를구동하기위한에너지원의개발니즈도확대되고있다. 마이크로 / 나노공정기술의급속한발전으로미세소자및기계부품에대한기술의첨단화가가속되고있으나, 이러한소자구동을위한에너지원의개발은더딘상황이다. 소자의크기가작아진것만큼경박단소화된전지를필요로하고있다. 시장조사기관 IDTechEx에따르면요구되는기능측면에서도오래사용할수있고, 빠르게충방전이가능하며, 더나아가버려지는에너지를수집해재활용할수있는에너지하베스팅기술과도결합이가능한에너지원을요구하고있다. [6] 3 동종 ICE 와성능및 Total Ownership Cost 측면에서대등한수준의차량으로자동차시장내주류솔루션으로부각되는시점 4 IoT: Internet of Things, MEMS: Micro Electro-Mechanical Systems 6 LG 경제연구원
3. 차세대전지의유력후보및개발동향 기존리튬이온전지의성능은양 / 음극재의소재또는조성변경을통해상당히많이개선되어왔으나, 점점성능개선폭과속도가둔화되고있다. 또한지속적인성능개선에도불구하고리튬이온전지의안전성이슈는여전히완벽하게는해결되지않은불안요인으로남아있다. 리튬이온전지가지니고있는안전성과같은내재적불안요소및성능한계를극복하는동시에소비자또는수요기업의니즈에부합하는방향에맞춰서, 많은기업들이다양한차세대전지를개발하고있다. (1) 여러대안의차세대전지개발경쟁리튬-황전지, 리튬-공기전지, 나트륨 / 마그네슘이온전지, 전고체전지등현재 2 차전지의주류기술이라할수있는리튬이온전지의뒤를이을다양한후보기술들이기업, 대학, 연구소등에의해개발되고있다. 차세대전지도리튬이온전지와마찬가지로양극재, 전해질그리고음극재의세가지요소로구성되어있으며, 각구성요소의다양한조합에따라전지의효용이달라지게된다. 리튬-황전지와리튬-공기전지는 2차전지의기본특성인반복적인충방전을가능케하는매개체가리튬이온인반면에, 나트륨 / 마그네슘이온전지는리튬대신나트륨 / 마그네슘이온이양극재와음극재사이의전해질을따라움직이면서전기를저장또는사용한다. 전고체전지는양극재와음극재사이에고체상태의전해질을사용하며, 현재의리튬이온전지와 차세대전지의구성요소및장 단점 3 구성요소장점단점 리튬 - 황전지 양극 : 황또는황화합물 음극 : 리튬금속 전해질 : 유기계 / 고체전해질 고용량및낮은제조원가 기존공정의활용가능 지속적인충 방전시양극재 ( 황 ) 의감소로수명저하 황에의한제조설비의부식 리튬 - 공기전지 양극 : 공기 ( 산소 ) 음극 : 리튬금속 전해질 : 유기계 / 고체전해질 전지셀구조단순 고용량및경량화가능 고순도산소확보難 산소여과장치, Blower 등추가장치로인해부피증가 나트륨 / 마그네슘전지 양극 : 금속화합물 음극 : 나트륨 / 마그네슘 전해질 : 유기계 / 고체전해질 저가화및고용량에용이 양극재후보물질少 긴충 방전시간 전고체전지 양 / 음극 : 기존또는他차세대전지의양 / 음극활용가능 전해질 : 세라믹 ( 황화물 / 산화물 ), 고분자, 복합재등 높은안전성및고용량가능 다양한어플리케이션 ( 초소형전자기기 ~ 전기차 ) 에활용가능 높은계면저항 유해가스인황화수소발생 ( 황화물계 ) 또는낮은저온특성 ( 고분자 ) LG 경제연구원 7
차세대전지의다른대안에모두적용할수있는기반기술성격이강하다 ( 차트 3 ). 리튬-황전지는양극재와음극재를각각황과리튬을사용해서리튬이온전지대비 3 배이상의높은에너지밀도를구현할수있으며저가인황을사용하기때문에전지의제조원가를낮출수있는장점을가지고있다. 리튬-공기전지는양극재로공기 ( 산소 ), 음극재로리튬을이용하는 2차전지로서, 구조가단순하며이론적으로리튬이온전지의 5~10배정도의에너지밀도를구현할수있다. 따라서, 저장할수있는에너지용량을대폭늘릴수있는동시에리튬이온전지보다싸고가볍게만들수있다는잠재력을가지고있다. 나트륨 / 마그네슘이온전지는리튬대신나트륨이나마그네슘을음극재로사용함으로써, 전지의안전성을확보하면서값싼원재료를사용할수있다는장점을가지고있다. 나트륨 / 마그네슘이온전지는가격변동성과공급안정성에취약한리튬이온전지의약점을해결할수있다. 다만기존리튬이아닌새로운금속이온을활용하는전지이기때문에, 안전성과성능의신뢰성이충분히쌓이지않은상태다. 발생가능한위험요인을예측하기가매우어렵다는문제가있다. 전고체전지는액체전해질을고체전해질로대체한것으로기존리튬이온전지의액체전해질이가지고있는발화, 폭발등의위험성을상당히낮출수있는장점이있다. 개발중인고체전해질은소재에따라세라믹 ( 황화물계 / 산화물계 ), 고분자, 세라믹과고분자의복합재로나뉘어진다. 전고체전지는외부충격에의해기기가파손되더라도전해질의누액이나폭발의위험성을획기적으로줄일수있고고온이나고전압의사용환경에서도전지의성능저하를막을수있다. 또한기존리튬이온전지보다고용량과경량화에유리한측면이있어서전자제품을비롯해전기차에도채용될가능성이높다. (2) 전고체전지가차세대전지의유력후보로압축차세대전지의여러후보들중에서, 전고체전지는지난 10여년간기술개발속도가비교적빠르게진행되어온데다리튬이온전지의고질적인불안요소인안전성을해결해줄수있다는기대감까지더해져가장현실적인대안으로인식되고있다. [7] 즉, 전고체전지가안전성, 고용량, 디자인자유도등수요측면의다양한니즈를충족시킬수있는차세대전지의유력후보로서압축되고있는모습이다. 이러한양상은지난 10여년간의특허출원및등록현황에서도잘나타난다. 일본 NEDO에서분석한 2002~2011년동안의차세대전지관련특허출원건수를살펴보면, 전고체전지, 리튬-공기전지, 리튬- 황전지, 나트륨 / 마그네슘이온전지순으로높게나타났다 ( 차트 4 ). 8 LG 경제연구원
이기간동안전고체전지의특허출원건수는 3,309 건으로두번째로많은리튬 - 공기전지의 1,251 건보다도 3 배가까이높은수치를보이고있다. 전고체전지의 특허출원국가중에서일본이 60% 를차지할정도로 가장적극적인모습을보이고있다. 이는차세대전 지에대한주도권을확보하는동시에현재리튬이온 전지시장에서우위를점하고있는한국, 중국등을 견제하기위함으로보인다. 자동차기업임에도불구 하고차세대전지개발에적극적인모습을보이고있 는도요타도최근차세대전지중에서전고체전지개 발에집중적으로자원을투입하고있는모양새다. 2012~2014 년도요타의차세대전지관련특허 5 중 에서전고체전지의비중이증가하고있다. 또한, 2014 년에전고체전지관련특허가차세대전지분야 중에서약 70% 를차지할정도로다른차세대전지에 비해월등히높다 ( 차트 5 ). 전고체전지로압축되고있는모습은혁신의진화과정 에서일반적으로활용되는동적모델을통해서도알 수있다. 혁신의동적모델은다양한기술또는제품의 경쟁속에서주류기술이등장하고발전하는과정을 설명해준다. [8] 주류기술의등장초기에는제품혁신 (Product Innovation) 의비중이높다가어느순간사 실상의표준 (de facto standards) 이결정되면제품 혁신의비중은감소하고제조효율화에초점을맞춘 공정혁신 (Process Innovation) 의비중이증가하게된 다. 다른차세대전지와달리전고체전지는제품혁신 자체 ( 필요특성을충족시킬수있는고체전해질후보 소재의개발 ) 보다이를양산하기위한공정혁신 ( 고체 전해질의특성을극대화할수있는제조공정 ) 에초점 을맞춰개발이진행되고있는것으로보인다. 전고체 전지의양산시점을앞당기기위해분말의압축성형, 롤투롤 (Roll-to-roll) 코팅, 반도체박막등의다양한 제조공정방식이시도되고있다. [2] ( 차트 6 ). 차세대전지관련특허출원건수 (2002~2011 년 ) 4 3,309 8% 6% 4% 11% 10% 60% 1,251 15% 11% 5% 20% 39% 기타중국한국유럽미국일본 494 478 전고체전지리튬-공기전지리튬-황전지나트륨 / 마그네슘이온전지자료 : NEDO, Roland Berger( 세계지식포럼, 2016) 도요타의차세대전지관련특허비중 5 69 건 52 건 34 건 42% 46% 58% 54% 32% 68% 2012년 2013년 2014년자료 : Thomson Innovation, LG경제연구원자체분석 리튬 - 공기전지 + 나트륨 / 마그네슘이온전 전고체전지 혁신의동적모델 6 多 기술혁신의빈도 少 제품혁신 (Product Innovation) 수요인식에의한혁신영역 양산성제고를위한혁신영역 신기술인식에의한혁신영역 ( 現전고체전지개발시점으로판단 ) 공정혁신 (Process Innovation) 비용절감을위한혁신영역 시간 5 Thomson Innovation 데이터베이스를활용해서 2016 년상반기까지등록된도요타의패밀리특허 ( 유사또는중복특허들을제외한특허 ) 들을키워드로분석. 특허출원부터등록까지의기간이 1~2 년소요되는점을감안해서 2012~2014 년사이에출원된차세대전지관련특허들의추이를분석함. LG 경제연구원 9
(3) 개발기업들외부자원활용에적극적기업들은다양한외부자원활용방식을통해전고체전지의개발을촉진하고있다. 외부자원활용의적극성정도에따라협업또는공동개발, 벤처투자, 그리고기업인수등으로나뉘어진다. 현재리튬이온전지사업에직간접적으로관여되어있는기업들은대학또는연구소와의공동개발을선호하는편이다. 도요타는동경공업대등과함께황화물계전고체전지를개발하고있으며, 2016년초에기존프로토타입보다 2배이상높은전고체전지를발표했다. 중국전지기업인 CATL 6 도 2023년양산을목표로 2015년부터중국과학원과황화물계전고체전지를개발중에있다. 반면에, 신규사업의가능성을타진하고있는기업들은벤처투자, 기업인수등보다적극적인방법을선택하고있다. 반도체장비기업인어플라이드머티리얼즈 (Applied Materials) 나자동차기업인폭스바겐, 상하이자동차등은인피니트파워솔루션즈 (Infinite Power Solutions), 솔리드에너지 (SolidEnergy), 퀀텀스케이프 (Quantumscape) 등과같은북미벤처기업에지분투자를하고있다. 기업인수를통해적극적인행보를보이는기업들도있다. 진공청소기, 선풍기등소형가전으로유명한다이슨 (Dyson) 과자동차부품및전동공구의선도기업인보쉬는 2015년에각각전고체전지벤처기업인사크티3(Sakti3) 와시오 (Seeo) 를인수했다. 일본세라믹부품기업인무라타 (Murata) 는 2016년소니의전지사업을인수함으로써, 무라타의세라믹소재및제조기술을전지사업에접목시키려는시도를하고있다. 4. 시사점 (1) 기업들의다양한차세대전지개발전략전고체전지개발에적극적인기업들은 3가지유형으로분류할수있다 ( 차트 7 ). 첫째, 주력제품의경쟁력을강화하기위해차세대전지의내재화, 즉가치사슬의통합을추진하려는기업들이다. 전자기기기업, 자동차기업들이대표적이다. 예를들어, 대표적인하이엔드소형가전기업으로서차세대전지개발에적극적인다이슨은전고체전지를자사제품에채용하게되면제품의세련된디자인, 안전성, 장시간사용성등을고객들에게소구 ( 訴求 ) 할수있게될것이다. 도요타의경우, 하이브리드자동차와연료전지자동차에집중하고순수전기차에대해서는소극적이었으나, 최근전략수정움직임을보이고있다. 도요타는순수전기차시장에상대적으로뒤늦게진입하지만, 전고체전지에대한기술적리더십을굳혀갈경우안전하고장시간주행 6 Contemporary Amperex Technology Limited 10 LG 경제연구원
차세대전지개발기업의개발목적 / 전략 ( 예상 ) 7 개발목적및전략 제품경쟁력강화를위한차세대전지의내재화 - 세트기업또는자동차기업은자신들의제품경쟁력을제고할목적으로가치사슬의통합추진가능성 특정어플리케이션중심의전문화된사업영역구축 - 전고체전지의특성상안전성, 슬림한디자인, 고용량, 장수명등고객니즈의다양성충족가능 기존전지시장내입지강화및과거시장지위회복 - 기술리더십을확보하거나, 축소된시장입지를다시찾기위한수단으로서차세대전지개발 관련기업 Dyson: 15 년 Sakti3 의인수를통해개발 Toyota: 자체또는동경공업대등과의공동개발을통해전고체전지개발 Applied Materials: Infinite Power Solutions, SolidEnergy 등에대한벤처투자와함께자사의핵심역량인반도체공정기술의레버리지 Hitachi Zosen: 압축성형 (Pressing) 기술을활용해전고체전지개발 CATL: 중국과학원과공동으로전고체전지개발중 ( 23 년양산목표 ) Murata: 旣보유역량인세라믹적층기술과 16 년인수한소니의전지사업간시너지활용해전고체전지개발가속 할수있는전기차의차별화된가치를고객들에게제공해줄수있을것이다. 둘째, 전고체전지를기반으로초소형전자기기, 산업용로봇등특정어플리케이션중심의틈새시장을목표로사업을확장하려는기업들이다. 전고체전지는전지구성요소의다양한조합과리튬이온전지와상이한제조공정을통해안전성, 슬림한디자인, 고용량, 장수명등고객들의다변화된니즈를충족시킬수있을것으로예상된다. 반도체공정장비기업인어플라이드머티리얼즈는반도체제조공정기반의전고체전지개발에관심을가지고있다. 기존리튬이온전지가 IoT, MEMS 등과같은초소형전자기기의전력원으로사용하기에는구조적으로어렵기때문에, 전고체전지와반도체제조공정의결합은초소형전자기기를위한보다최적화된솔루션이될가능성이높다. 산업용기계제조기업인히타치조센역시자사의분말압축성형기술을전고체전지에적용함으로써산업용로봇이나센서, 더나아가서는우주탐사용기계의동력분야로의사업확장을시도하고있다. 셋째, 시장지위를강화하기위해전고체전지를개발하는기존전지기업들이다. 최근전기차용전지시장에서두각을나타내고있는중국의 CATL은황화물계고체전해질과리튬금속의음극재를활용해서전기차용전고체전지의성능향상을시도하고있다 7. 일반적으로전고체전지의제조공정은기존리튬이온전지와크게다르기때문에소재의재료과학적인기술역량과함께소재에최적화된제조공정의개발이필수적이다. 이는쉽게모방하거나단기간에축적되는역량이아니기때문에, CATL 은중장기적인관점에서전기차용전지시장을대비하는것으로보인다. 2016년소니의전지사업을인수한무라타의경우, 전지산업내소니의옛시장지위의부활과무라타의사업확장을지향하고있다. 휴대폰용적층세라믹캐패시터 (Multi Layer 7 2016 년 CIBF(China International Battery Fair) CATL 의발표자료참조 (Challenges and Progresses of Solid-State Li Metal Batteries) LG 경제연구원 11
Ceramic Capacitor, MLCC) 등수동전자부품의선도기업인무라타는세라믹분말에서부터전자부품 / 모듈까지전체가치사슬의수직통합을통해고객들의니즈변화에빠르게대응하고있다 8. 전고체전지에서도다양한소재들의조합과소재-공정의통합을매우중시하고있다. 무라타는세라믹적층기술과소니의소재및전지공정기술의시너지를통해 2018년저출력과높은안전성이요구되는모바일영역에먼저전고체전지를출시할예정이다. 전고체전지에대한신뢰성이확보된후전기차용전지시장까지확장할계획이다. (2) 국내전지기업의과제지금까지리튬이온전지산업은에너지밀도향상과원가절감이라는키워드에맞춰다양한시장에서빠르게성장해왔다. 국내전지기업들은일본기업들에비해뒤늦게시장에진입했음에도불구하고탄탄한제조경쟁력을바탕으로높은시장지위를차지하고있다. 최근모바일용제품에사용되는소형전지시장에서는많은중국기업들과의치열한경쟁속에서수익창출이매우어려워지고있다. 높은시장잠재력이있다고평가되는전기차용전지시장조차도국내전지기업들의안정적인수익창출을낙관하기어려워보인다. 중국전지기업들이공급사슬망통합을통한가격경쟁력향상과한국전지기업을견제하는중국정부의규제강화정책에힘입어급성장하고있기때문이다. 자동차기업들도파워트레인의효율화를통해리튬이온전지의한계를보완하려는노력을가속하고있다. 이는전지기업들의차별적요소를약화시키고경쟁을격화시킬수있는요소로작용될가능성이있다. 국내전지기업들이고객기반을적극적으로활용하는동시에기술적리더십을유지하는노력을반드시함께해야하는이유가곳곳에서발견되고있는것이다. 국내전지기업들은차세대전지개발의주도권을잡으면서빠르게뒤쫓아오고있는중국전지기업들의예봉을꺾을수있는차별화된무기를장착할필요성이커지고있다. 다양한업종의기업들이다양한이유로차세대전지개발에적극적인모습을보이고있다. 전고체전지의소재와제조공정은기존전지사업에서축적된경험과역량의진부화를가속시킬가능성이높기때문에, 전고체전지의시장진입은 2차전지산업의불연속적인변화를촉진시킬수있을것으로예상된다. 차세대전지기술은부분이아닌소재속성, 이론과적용환경, 시스템특성등광범위한영역에대한충분한이해와장기간동안축적된경험과노하우가중요한아날로그특성을가지고있다. 8 2016 년 8 월 Norio Nakajima( 무라타부사장 ) 와 EE Times 의인터뷰참조 12 LG 경제연구원
개발타이밍을놓친기업은단기간에회복할수없는상당히큰타격을입을수있다. 향후저원가에특화된중국전지기업과의경쟁, 차세대전지시장에서의대응등지금보다증가된경쟁구도의복잡도를어떻게관리하느냐에따라국내전지기업의경쟁우위지속가능성여부가결정될것이다. 효과적인외부자원의활용을통해경쟁구도다변화에대한적극적인대응이필요할것이다. www.lgeri.com LG 경제연구원 13
< 참고자료 > [1] SNUPRESS, The Road to the Top Secondary Batteries(2016) [2] Deutsche Bank, EV battery makers: Charging the car of tomorrow(2016.6) [3] Bosch, Powertrain Strategies for the 21st Century: Next Generation Electric Vehicle Strategies(2016.7) [4] Gartner, Top 10 Smartphone Technologies and Capabilities in 2016 and 2017(2016.4) [5] Lux Research, Current Status of Battery Startups in U.S.: Application and New Business Models(2016.3) [6] IDTechEx, Flexible, Printed and Thin Film Batteries 2016-2026: Technologies, Markets, Players(2016.5) [7] Nikkei Electronics, 全固体電池, 10 年飛び越し (2015.3) [8] Utterback, J. M. & Abernathy, W. J., A Dynamic Model of Process and Product Innovation, Omega(1975) 14 LG 경제연구원
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