58 산업이슈 친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 Ⅰ. 친환경자동차산업현황 Ⅱ. 이차전지산업구조변화 목 차 Ⅲ. 친환경자동차용리튬이온전지시장현황 Ⅳ. 향후전망및과제 Ⅰ. 친환경자동차산업현황 발전배경 온난화로인한규제강화, 원유고갈우려에따른에너지독립, 신성장동력발굴등으로친환경자동차에대한각국의관심이고조 - 교토의정서의발효로 1차의무이행국가 37개국은온실가스배출량을 08~ 12년동안 1990 년대비평균 5.2% 감축해야함 - 07년기준세계 9대온실가스배출국인한국도 13년부터시작되는 2차의무이행국가에는포함될가능성이높아 09년정부에서 20년까지온실가스를 05년대비 4.0% 감축하기로결정 1990년대비 2007년한국의 CO 2 배출량변화율은 113.1% 로 OECD 평균 17.4% 대비매우높은수준이며 Non-OECD 국가들인인도 (124.7%), 사우디 (121.7%) 와비슷한수준 30) CO2 배출량변화율 (1990 년 -2007 년 ) 자료 : IEA * 본고는산은경제연구소조경진선임연구원이집필하였으며, 본고의내용은집필자의견해로당행의공식입장이아님
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 59 - 화석연료수요증가의영향으로 08년중유가가배럴당 140달러를돌파하였으며장기적으로유가의채굴가능기간이 40년수준으로추정되며향후고유가시대가예견됨 - 미국과 EU 등선진국에서는에너지독립을위해전체석유소비의 50.0% 이상을차지하는수송용화석연료비율을낮추고자친환경자동차개발에대한투자와지원을확대 각국석유소비중수송용비율 국내 CO 2 배출량감축안 ( 단위 : %) ( 단위 : 백만톤, CO 2) 자료 : IEA 자료 : 녹색성장위원회 각국의온실가스규제가직접적으로친환경자동차개발을촉진 - EU는 09년 4월세계최고수준의자동차 CO2 배출기준을확정하여기준미달시 CO2 배출 g당누진세를적용할계획 - 미국은 09년연비목표인 27.5mpg에서 39.0mpg 로기준을강화하며목표연도를당초 20년에서 16년으로단축시킴 - 일본은연비기준을현재 13.0km/L 에서 15년 16.8km/L 로상향조정하였으며기준에미달될경우시정권고, 벌금부과등을계획 - 중국도 08년자동차소비세율을개정하여배기량 1,000cc 이하소형차에대한세율을인하하고 3,000cc이상은대폭인상 - 한국은 12년부터연비를현수준보다 16.5% 상향조정예정
60 산업이슈 각국의연비및 CO 2 규제강화추이 자료 : 환경산업기술원 미국, 일본, EU 등은친환경자동차산업을향후국가의신성장동력산업으로육성계획 - 각국정부는친환경자동차개발에대한투자지원과구매시보조금지급등으로시장확대지원 향후 5년간각국정부가발표한친환경자동차활성화관련지원액은총 150억달러수준 국내에서도하이브리드차구매시최대 310만원까지지원하고있으며일본도전기차구매시가격차의 50.0% 를보조금으로지급 주요국친환경자동차지원동향 국가내용 일본유럽미국한국중국 친환경차구매시가격차의 50.0% 보조금지급, 중량세및취득세면제 연비기준초과달성차량에대해자동차세최대 50% 경감 영국에서친환경차구매시자동차세, 혼잡통행료면제 CO 2 배출량에따라자동차세, 등록세, 운행세등탄력적용 친환경차생산지원을위해 500 억불대출프로그램실시 친환경차개발비로연간 3 천억원지원 하이브리드차최대 310 만원까지보조금지급 정부에서 2004~2008 년까지친환경차개발비로 2,000 억원지원 09~ 11 년까지친환경자동차개발비 100 억위안지원 전기차최대 6 만위안, 하이브리드차최대 5 만위안보조금지급
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 61 - 일본은 Toyota, Honda 등이 90년대부터친환경자동차개발을시작하여현재주도권을확보하였으며미국, EU 등이추격하는양상 일본대비특허와기술력이뒤처진미국, EU의자동차업계는자국만의특화된기술확보를위하여차종을달리하여개발중 미국은하이브리드자동차보다한단계진보된플러그인하이브리드자동차를개발중이며 EU는클린디젤방식 1) 으로차별화 진보된방식의차량이개발될경우친환경자동차시장의선점이가능하여향후각국의개발에대한투자가가속화될전망 친환경자동차개발동향 하이브리드자동차 (Hybrid Electric Vehicle: HEV) - 전기모터와가솔린엔진을함께장착하여오르막길이나가속을할때는엔진을가동해추진력을얻고내리막길등에서는모터를구동하며운행하여연비를향상시킨친환경차량 1997년 Toyota의 Prius가출시된이후 07년에미국판매량 35만대를포함연간판매량 50만대를돌파하며시장을확대중 일본의 Toyota, Honda 등이세계시장점유율의 90.0% 이상을차지하고있으며 04년이후 Ford, GM 등이시장에진입 08 년 HEV 세계시장업체별점유율 HEV 지역별판매량추이 ( 단위 : 대 ) ( 단위 : 대 ) 1) 기존디젤엔진의연비효율을높이고 CO 2 배출량을줄이는방식으로주로디젤기술이발달한 EU 에서추진중
62 산업이슈 플러그인하이브리드자동차 (Plug-in Electric Vehicle: PHEV) - 전기를이용하여충전한전지로주행하다가전지방전시내연기관엔진과전지의동력을동시에사용하여운행하는자동차로, 전기자동차에근접한친환경차량 GM의 Volt 가 10년에상업판매예정이며 Toyota도 12년에제품출시를공표하며점차경쟁이가열되고있는양상 미국정부와자동차업계는일본이선점하고있는 HEV보다더진보된개념의 PHEV시장석권으로향후친환경자동차산업의주도권을잡기위해투자와연구를확대중 전기자동차 (Electric Vehicle: EV) - 화석연료를사용하지않고전지충전만으로운행이가능한실질적인 100.0% 무공해친환경차량 1회충전시주행거리가 100km 수준이라는점과급속충전시에도 30분이소요된다는단점등으로시장확대에한계가있음 최근 Mitsubishi 가 imiev 를출시하여상업생산가능성을보여주었으며 11년이후다수업체들의출시가기대됨 수소연료전지차 (Fuel Cell Electric Vehicle: FCEV) - 수소를기본원료로이온화과정을통해생산한전기의힘으로모터를돌려구동시키는친환경차량 - 수소충전소확대, 차량가격인하, 안정성등과같이개선해야할부분이있으며전기자동차이후대안으로고려됨 친환경차및사용되는이차전지종류 구분 하이브리드 (HBV) 플러그인하이브리드 (Plug-in HBV) 전기차 (BV) 수소연료전지차 (FCEV) 구조 / 특징 개발과제 일반차대비가격상승분최소화 전기충전인프라구축및급속충전기술개발 배터리성능향상 ( 에너지밀도증대, 가격저감 ) 수소충전인프라구축 고가의부품가격인하 이차전지 Ni-MH( 니켈수소 ) Li-ion( 리튬이온 ) 수소연료전지 자료 : 현대자동차
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 63 친환경자동차산업에서이차전지의중요성 친환경자동차는화석연료대신전기에너지사용량을높이는쪽으로개발중이며초기 HEV 시장이확대된후 PHEV와 EV로이동할것으로전망 - HEV에서 PHEV와 EV로이동하기위해서는주행거리, 충전시간등기술적인과제들의해결에이차전지의성능개선이필수 친환경자동차발전방향 자료 : 현대자동차 친환경자동차의성능은이차전지의성능과직결된문제로향후시장을주도해나가기위해자동차업체와전지업체가지분을투자하여 JV를통해 Co-work을추진중 주요이차전지 Joint Venture 현황 JV 기업 (% 는지분율 ) Panasonic EV energy Toyota(60%), Panasonic(40%) Lithium Energy Japan Mitsubishi(15%), Mitsubishi Motors(34%), GS Yussa(51%) SB LIMOTIVE 삼성 SDI (50%), Bosch(50%) Li-Tec Daimler(49.9%), Evonik(50.1%)
64 산업이슈 Ⅱ. 이차전지산업구조변화 이차전지개요및원리 전기에너지를필요시사용할수있도록저장하는에너지저장장치 - 한번사용후폐기해야하는일차전지와달리일정횟수동안충전과방전이 500~1,000회가능하여경제적이며환경에도이로움 - 노트북, 핸드폰, PDA 등휴대용전자기기의발달과함께이동형전원의필요성이높아져최근까지수요가증가추세 - 향후 PHEV, EV 등의주동력원으로사용될경우큰폭의수요증가가기대됨 작동원리는전기화학적산화-환원반응에의해발생하는이온의이동으로전기를발생시키고그반대과정으로충전되는원리 - 이온의물질상태가양극과음극에서서로달라이때발생되는물질의고유에너지차이로인한전압차를이용 - 리튬이온전지의경우양극에있던리튬이온이빠져나와전해질을통해음극의탄소에가는현상이충전이며그반대가방전 리튬이온전지충 방전시화학반응 충전 LiCoMo 2 + Cn Li 1-xCoMo 2 방전 + CnLix 리튬이온전지 ( 각형 ) 소재 리튬이온전지충방전원리 ( 단위 : 억원, %) ( 단위 : 개 ) 자료 : 삼성 SDI 자료 : 한국과학기술정보연구원
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 65 이차전지종류및특징 납축전지 (Lead-acid) - 1890년대상용화가시작되었고군사용에서무선전화기용까지다양하게적용되어왔으나무겁고에너지저장밀도가낮음 니켈카드뮴전지 (Ni-Cd) - 1899년개발되어철도차량용, 비행기엔진시동용등고출력이요구되는용도에사용되었으나낮은에너지저장밀도, 카드뮴의유해성및메모리효과 2) 등으로사용이감소중 니켈수소전지 (Ni-MH) - 1990년대초일본에서상용화되어에너지저장밀도향상및중금속인카트뮴을제거한전지로현재 HEV에는적용되었으나메모리효과및낮은에너지밀도등의단점이있음 리튬이온전지 (Li-ion) - 기존전지대비에너지밀도가 3배나높고가벼워사용량이급증하고있으나폭발위험성등이있어고출력용에적용은어려움 리튬이온폴리머전지 (Li-ion-polymer) - 액상형전해질대신고분자재료를사용하여전지의안정성을높이고전지의모양을자유롭게할수있는장점이있으나타전지대비가격이높음 이차전지종류별특징비교 특성 Lead-acid Ni-Cd Ni-MH Li-ion Li-polymer 에너지밀도 (Wh/Kg) 70 90 200 300 300 작동전압 (V) 2.0 1.25 1.25 3.60 3.60 자가방전 (%/month) 5 20 30 5 5 작동온도 ( ) -20~60-40~60-20~60-20~60 0~60 안정성 O O O X O 환경 X O O O 제조비용 O X 2) 방전이충분하지않은상태에서재충전시전지의실질용량이감소하는현상
66 산업이슈 소형이차전지시장의성장세둔화 지금까지소형이차전지시장은 08년기준휴대폰용과노트북용의합계가 71.2% 의비중을차지하며전체시장의흐름을주도 08 년소형이차전지용도별구성비율연도별소형이차전지수요증가율추이 ( 단위 : %) ( 단위 : %) 향후시장의 40.0% 수준을차지하고있는휴대폰시장의감소로전체소형이차전지시장의성장률도감소할전망 - 휴대폰시장은스마트폰이매년 20.0% 이상성장이예상되나 08년기준전체시장의 60.0% 를차지하는프리미엄폰의수요감소로수요증가율이 08년 10.2% 에서 13년 3.0% 로감소할전망 휴대폰종류별시장전망 항목종류 08 09 10 11 12 13 수요 ( 백만 ) 전년대비증가율 (%) 자료 : Gartner 스마트 145 183 270 399 523 626 프리미엄 750 635 631 590 571 514 일반 382 357 372 369 352 349 전체 1,277 1,175 1,273 1,358 1,446 1,489 스마트 17.9 26.2 47.5 47.8 31.1 19.7 프리미엄 2.2 15.3 0.6 6.5 3.2 10.0 일반 26.5 6.5 4.2 0.8 4.6 0.9 전체 10.2 8.0 8.3 6.7 6.5 3.0
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 67 노트북시장은넷북의성장세로매년 20.0% 수준의증가가예상되나전체이차전지시장에서차지하는비중이휴대폰용시장규모의절반수준이며 13년부터성장세가점차감소할것으로예상되어전체이차전지시장의성장둔화를만회하기는어려울전망 노트북시장전망추이 항목종류 08 09 10 11 12 13 수요 ( 백만 ) 증가율 (%) 노 트 북 131 130 151 187 233 275 넷 북 12 20 31 41 55 70 전 체 143 150 181 228 288 345 노 트 북 - 0.8 16.2 23.8 24.6 18.0 넷 북 - 66.7 55.0 32.3 34.1 27.3 전 체 - 4.9 21.3 25.3 26.3 19.8 자료 : Gartner 향후소형이차전지시장은과거대비수요증가율은감소할전망이나공급업체들의증설로인한공급증가로 10년이후공급과잉상황에직면할가능성이있음 - 상위업체들의증설이 08년이후에도지속될것으로예상되며경쟁이심화될전망 - 향후에도소형이차전지의과거대비수요가큰폭으로증가하기는어려워이차전지업체들로서는신규시장에대한욕구가증가 리튬이온이차전지수급전망 주요이차전지업체증설계획 ( 단위 : 백만셀 ) ( 단위 : 백만셀 / 월 )
68 산업이슈 친환경자동차용이차전지시장확대가능성 08년기준 HEV의세계판매량은 50만대수준이며 04년대비 200.2% 증가하였으며이에따라이차전지시장도증가추세 - 08년판매된 HEV의 93.8% 가 Toyota, Honda, Nissan 등일본계자동차로이차전지도 Sanyo, Panasonic 등일본계제품이장착됨 08년판매된 HEV의 90.0% 이상이니켈수소전지가적용되고있으며세계시장규모는 9.3억달러수준 최근 HEV에도리튬이온전지의적용이증가추세이나이미장기간검증을통해상용화된니켈수소전지가당분간대세를이룰전망 하이브리드자동차지역별판매추이 하이브리드용니켈수소전지판매추이 ( 단위 : 천대 ) ( 단위 : 억달러 ) 각사 HEV 모델별사용전지 기업명 모델 전지종류 출시 Ford Mercury Mariner Ni-MH 2009 GM Chevrolet Tahoe Ni-MH 2009 Honda Accord Ni-MH 2009 Honda Insight Ni-MH 2010 Toyota Camry Ni-MH 2009 Toyota Pirus Ni-MH 2009 Volkswagen Audi Q7 Ni-MH 2010 BMW X6 Active Li-ion 2009 Daimler Mercedes S400 Li-ion 2010
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 69 신규 Niche 마켓의등장 향후대용량축전지, 로봇용이차전지등새로운용도의 Niche 마켓도점차확대될전망 - 대용량축전지는향후스마트그리드시대에대비하여분산전력의상용화를위해필요한기술로향후큰시장으로성장할전망 일본의 Sharp사는태양전지로발전된전력을저장하는비즈니스모델에참여하여개발을진행중 향후전력시장에서대용량축전지역할 자료 : 전자부품연구원 - 로봇용, 산업용등신규 Niche 마켓도점차증가할것으로전망 서비스로봇용이차전지시장도 07년기준시장이거의형성되지않았으나 15년 30억불로증가할전망으로기존산업용로봇시장을능가하는성장세를보일것으로예상됨 전동공구용이차전지시장등산업용시장도 07년 25억달러에서 15년 35억불시장으로성장할전망이며소형화, 고출력등의요구에따라기존니켈수소전지에서리튬이온전지로이동할전망 기존잠수시간대비 3배이상긴잠수가가능한잠수함용이차전지등특수한용도의군사용시장도증가할전망
70 산업이슈 Ⅲ. 친환경자동차용리튬이온전지시장현황 친환경자동차용으로주목받는리튬이온전지 향후친환경자동차용이차전지시장은어떤종류의차종이시장을주도하느냐에따라결정될전망 - 단기적으로는상용화가완료된 HEV 시장이확대되어니켈수소전지의영향력이지속될전망이나장기적으로는 PHEV, EV 등의시장확대로리튬이온전지가대세를이룰전망 가솔린엔진을주동력원으로사용하는 HEV의이차전지의용량은 1~2kWh 가요구되나전기를주동력원으로사용하는 PHEV, EV등은 5~10kWh 이상의용량이필요 기존니켈수소전지를 PHEV, EV에적용할경우전지소요량이약 5배로증가하여비용상승및차량무게증가등문제점이발생되어높은에너지밀도가가능한리튬이온전지의적용이필수 리튬이온전지는기존 HEV에주로적용되는니켈수소전지대비에너지밀도가우수하여소형화가가능하고메모리효과가없어수명이길고자가방전율이상대적으로낮다는장점보유 향후 PHEV, EV 시장이확대될경우리튬이온전지시장규모는 20년 45.8억달러수준에이를전망 친환경자동차예상판매추이 친환경자동차용이차전지수요예상 ( 단위 : 천대 ) ( 단위 : 천개 )
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 71 리튬이온전지 Value Chain 친환경자동차용리튬이온전지산업의 Value Chain은크게 Cell 제조, 소재산업두부분으로분류 - Cell 제조는이차전지생산업체를, 소재산업은이차전지의중요소재인양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해질생산업체를말함 - 단기간기술력을축적하는것이어려워당분간일본업체들이시장지배력을유지할것으로전망 Cell 제조업 - 친환경자동차산업에서이차전지의중요성이매우높아자동차업체와전지업체간 Co-work이매우중요한요인 차량초기개발단계부터전지업체와공동 Test 등이진행되어야효과적인개발이가능하며 A/S 등에있어서도유리한입지를다질수있음 - 이와같은상황에서향후친환경자동차산업에서일본계자동차업체와전지업체가시장을주도할가능성이높음 실제현재판매중인 HEV 시장은 Toyota, Nissan, Honda 등일본계가시장의 90.0% 이상을석권하고있어여기에전지를공급할수있는업체들만친환경자동차용이차전지판매가능 세계적으로약 10여개전지기업들이친환경자동차용이차전지공급을추진중이며이중상당수가 Panasonic, Sanyo 등일본계 Toyota, Nissan 등일본계자동차기업들은독자적인전지기술이부족하여 JV 형식으로지분획득후안정적인전지공급을계획중 - GM, BMW, VW 등미국과유럽계자동차기업들은자국내검증된전지업체확보가어려워타국의전지업체들과 Co-work 을추진중이나지분투자까지는이루어지지않은상황 미국및유럽자동차기업들은주로한국계이차전지업체들과 Co-work을추진하는경우가많음
72 산업이슈 세계주요이차전지업체현황 전지업체국적지분율전지종류제휴자동차기업 Panasonic Automotive Energy 일본 일본 Toyota 60% Panasonic 40% Nissan 51% NEC 등 49% Sanyo 일본 Panasonica 에인수됨 Lithium Energy Japan Blue Energy Hitachi Vehicle JCS 일본 일본 일본 미국프랑스 GS Yuasa 51% Mitsubishi 49% GS Yuass 51% Honda 49% Hitachi 계열 74.9% Shin-Kobe 25.1% Johnson 51% Saft 49% Li-ion Ni-MH Li-ion Li-ion Ni-MH Toyota Nissan, Fuji Heavy VW, Honda, Ford Li-ion Mitsubishi Li-ion Honda Li-ion Li-ion Isuzu, GM, Mitsubishi Daimler, BMW, GM A123 미국 GM 9% 등 Li-ion Chrysler, GM SB LiMotive 독일한국 Samsung SDI 50% BOSOH 50% Li-ion BMW LG Chemical 한국 LG Li-ion GM, Hyundai BYD 중국 BYD, MidAmerican Li-ion BYD - 국내에서는 LG화학, 삼성SDI, SK에너지등 3업체만이친환경자동차용이차전지 Cell 제조업에진출중 3업체모두아직자동차용판매는이루어지지못하고있으나자동차업체와의 Test는통과되어납품이확정된상태로기술력에대한검증은완료 향후친환경자동차가상용화될경우자동차업체들은안정적인전지확보를위하여공급선을다변화할가능성이높아국내기업들에게는기회가늘어날것으로전망됨 LG화학과삼성SDI는휴대폰등소형이차전지사업을통한관련노하우축적및대규모투자가가능한건실한재무구조등의장점을보유 SK에너지는국내최초로이차전지용분리막개발에성공하여원료부터전지생산까지수직계열화기반마련 - 중국의 BYD도이차전지생산부터 EV 생산까지수직계열화를통해시장진입을시도중 양극활물질 - 양극활물질이란전자를받아양이온과함께자신은환원되는물질을말하며이
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 73 차전지전체재료비의 40% 를차지하는소재 08년전체시장규모는 26,800톤에 1조 1천억원수준으로예상되며향후 HEV, PHEV 등에적용시큰폭의수요증가예상 리튬이온전지재료비구성 양극화물질별수요추이 ( 단위 : %) ( 단위 : MT) 자료 : IIT 자료 : IIT - 현재사용되고있는양극활물질은코발트산리튬 (LiCoO 2 ) 제조에사용되는 Co는희귀금속으로향후수급문제가발생될소지가있음 Co는 06년 16.5 달러 /lb에서 08년 50달러 /lb까지상승하였고매장량의절반이콩고와쿠바에집중되어정치상황에따라가격이불안정할수있음 코발트국가별매장량 코발트가격추이 ( 단위 : 억원, %) ( 단위 : 개 ) 자료 : Datastream - 향후매장량이풍부하고가격이낮은니켈과망간을이용한니켈산리튬 (LiNiO 2 ) 과망간산리튬 (LiMn 2 O 2 ) 의적용이증가할전망
74 산업이슈 LiNiO 2 은사용가능한용량이상대적으로높은장점이있는반면작동전압이 LiCoO 2 에비해다소떨어지며안정성에도문제가있음 LiMn 2O 2 은고온에서 Mn이용출되어결정구조가파괴되는특성이있으나과충전에안전하고가격을크게낮출수있어개발중 중국의 BYD에서는안정성이뛰어난 LiFePO 4 를사용하여직접리튬이온전지시제품을출시하여향후자사 EV에적용을시도중 양극활물질비교 LCO (LiCoO2) NCA (LiNi0.8Co0.15 Al0.05O2) LMO (LiMn2O4) NMC (Li[Co1/3Ni1/3 Mn1/3]O2) LFP (LiFePO4) 구조 Layered Layered Spinel Layered Olivine 가역용량 (mah/g) 140 180 120 170 150 전압 (V) 3.6 3.5 3.8 3.6 3.45 장 점 고전도도, 합성용이 고용량, 전해질안정성 저가, 친환경, 고안정성 고용량, 중저가, 열적안정성 저가, 친환경, 방전곡선평탄 단점고가, 저안정성 고가, 합성어려움, 열적불안정 저용량, Mn 용해 낮은 Tap 밀도 저전도도 자료 : 한국전기연구원 양극활물질생산기업은 Toda, Nichia 등일본계가높은점유율을유지하고있으며한국과중국기업들이추격하는양상 - Nichia 가전체시장의 22.0% 를차지하며 1위를차지하고있으며국내업체인엘앤에프가 19.0% 로 2위를기록 국내업체중엘앤에프는 04년부터제품개발을시작하여 08년흑자전환을성공하며점차시장점유율을높여가고있는중 - 향후양극활물질시장의향방은어떤업체가코발트를제외한물질로낮은가격에안정된제품개발에성공하느냐에달려있음
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 75 양극활물질시장점유율 양극활물질시장규모추이 ( 단위 : %) ( 단위 : 톤, 십억엔 ) 자료 : Yano report. 2007 음극활물질 - 음극화물질이란산화되면서도선으로전자를방출하는소재로리튬이온전지전체재료비중의약 10% 수준을차지 음극활물질의소재로는낮은흡착 / 방출전압및충 방전시작은부피변화등의특성을보이는흑연계가주로사용 국내에서자급화가안되는이유는흑연의주산지가중국으로이를수입해제조할경우중국제품과가격경쟁이어렵고일본의인공흑연을바탕으로한제품은제조기술이부족한상황 시장규모와수익성이타소재대비높지않고일본과중국업체들이과점상태를유지하여신규진입에대한시도가높지않음 음극활물질시장점유율 흑연계가격비교 ( 단위 : %) ( 단위 : 엔 /kg) 자료 : IIT 자료 : 전자부품연구원
76 산업이슈 - 현재음극활물질시장에서는일본의히타치화성이 34.0% 점유율을기록하며 1 위를유지하고있으며중국제품도낮은가격을바탕으로점유율을높이는상황 현재는주로흑연계를원료로사용중이나향후에너지밀도, 안정성등의성능향상을위하여금속복합계, 티타늄계등을연구중 음극활물질적용현황 소재 용량 (mah/g) 에너지밀도 (mah/cc) 안정성 인조흑연 360 1.99 Poor 천연흑연 365 2.02 Poor 저온탄소 235 1.07 Good Li 4Ti 5O 12 160 0.53 Excellent 금속복합계 500 2.13 Poor 자료 : 전자부품연구원 내용 일본업체가시장을지배중이며가격부담으로천연흑연과혼합제품개발 국내설비전무로생산불가 천연흑연의주산지인중국이강세 국내소디프, 카보닉스에서개발에성공했으나가격경쟁력열세 LG 화학에서일본산을수입 사용 저가제품위한소재개발 전력저장용으로검토중이며고안전성소재로개발중 정부과제로여러차례개발을시도했으나성과가없는상황 분리막 - 분리막이란양극과음극사이에존재하는다공성막으로두전극간전기적단락을방지하고이온전달의통로를제공하는소재 주요재질은폴리에틸렌과폴리프로필렌이며리튬이온전지전체재료비중 14% 수준을차지하는소재 리튬이온투과를위한 pore가필요하며전지의내부온도가상승해폭발이나전해액이노출될위험을방지하기위해고온에서절연막으로변화하는특징이필요 향후리튬이온전지가 HEV, PHEV 등에적용하기위해서안정성측면이보강되야하며이를위해분리막의기능향상이과제 분리막의기계적강도와내열성향상을위해부직포위에 Ceramic 코팅을하거나기존폴리올레핀계와 Ceramic 입자를 Hybrid화하는방법등이개발중
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 77 2008 년분리막세계시장점유율분리막표면 ( 단위 : %) 자료 : 화학경제연구원 자료 : 강원대학교화학공학과 - 현재 5억달러규모세계시장의 50.0% 이상을일본계인 Tonen, Asahi, Ube 등이점유하고있으며미국의 Celgard도 26.0% 점유 국내기업으로는 SK에너지가시장에진입하여 08년기준 6% 를점유하고있으며향후국내이차전지업체에공급량이늘어날전망 전해질 - 전해질이란양극과음극의이온이동을가능하게해주는매개체 높은이온전도도, 다른전지재료와의호환성등이요구되며리튬이온과반응하지않는특성이필요 리튬이온전지의개방전압이 4.2V로높기때문에분해되는특성을갖는수용액전해액은사용할수없어유기용매에용해하여적용 전해질은 LiPF 6, LiPF 4, LiAsF 6, LiCIO 4 등의리튬복합염이사용되며용매로프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트등이사용 전해질은이온전도율이높고양극및음극물질과반응하지않으며충 방전시분해되지않아야하는특성이요구됨
78 산업이슈 2008 년전해액세계시장점유율 2008 년전해액품종별점유율 ( 단위 : %) ( 단위 : %) 자료 : 전자부품연구원자료 : 전자부품연구원 - 현재 2.2억불의세계시장에서제일모직이 28% 의점유율로 1위를기록하고있으며그외일본, 중국등의업체들도강세를보임 이차전지소재중가장진입장벽이낮은기술로마진도높지않아 Capitve user 를확보하는것이관건이며향후 Cell 제조업체에서도생산이가능할것으로예상되어시장매력도가높지않음 자동차용리튬이온전지개선과제 실질적인 100% 무공해자동차인 EV의경우상용화에있어가장중요한변수는리튬이온전지의가격과기능이며두변수의개선정도에따라시장확대가결정될전망 - 현재개선과제는 4가지로가격, 주행거리, 충전시간, 안정성임 EV 용리튬이온전지개선과제 세부내용 가 격 전체차량가격중 30~40% 가이차전지가격 주 행 거 리 1회충전운행거리가최대 100~150km 수준 충 전 시 간 급속충전으로도 1회충전시간이 30분수준 안 전 성 충돌과고온등에노출될경우폭발위험 가격 - EV의경우높은에너지밀도가필요하여리튬이온전지만적용이가능하나높은가격이시장확대의걸림돌로작용
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 79 GM의 PHEV인 Volt 는차량가격이 4만달러수준이나이차전지가격이대당 7천달러수준이며 Mitsubishi 의 EV인 imiev도판매가격 460만엔중 200~300 만엔이이차전지가격으로추정됨 현재이차전지의기술로는에너지밀도를높이기어려워 Cell의탑재수량을줄이는것은한계가있어 Cell의개당가격을낮추는방법이필요 주요소재중재료비의비중이높은양극활물질의가격하락을통한 Cell 단가인하가가장유력한방법 친환경자동차대당이차전지수량추정 용량 (Wh) 주행거리 (Km) 전지수량 ( 개 ) GM Volt 16,000 64 1,802 Mitsubishi imiev 40,000 160 7,273 주행거리와충전시간 - EV가 1회충전에의한최대주행거리는대략 100~150km 수준으로장거리운행에는적합지못함 원인은전지의전압이 0V일때는충전전압과차이로빨리충전되나 80% 수준이상충전되면충전전압과의차이가줄어들어이후충전시간이길어지는전지의고유의특성때문임 미국자가운전자들의하루운행거리가대략 100km 미만으로나타나근거리운행용으로사용이가능하나근거리운행을목적만으로차량을구매하지는않음 급속충전으로도 1회충전시 30분정도소요되며전체용량의 80% 수준밖에충전되지않는문제점이있어장거리운행시가솔린주유대비많은충전시간이소요됨 30분이하로급속충전할경우충전시발생되는열로전지가폭발하거나감전등의위험이있음 각사 EV 리튬이온전지충전시간 제조사 모델 용량 (kwh) 완전충전 ( 시간 ) 급속충전 ( 분 )* Mitsubishi imiev 20 7 25 Nissan Leaf 24 8 30 주 : 전체용량의 80% 까지충전하는시간
80 산업이슈 - 획기적인이차전지의성능개선없이는쉽게해결되기어려운문제로장기간의개선기간이소요될전망 주행거리확대를위해서는전지수량을늘리는방법도있으나차량의무게증가, 가격상승, 충전시간증가등의문제가발생 - 미국의 Better Place에서전지교체시스템을비즈니스모델로개발하여이스라엘, 덴마크등의국가에서 Test를진행중 충전소당 50만달러수준의투자비와 EV의핵심부품인전지의잦은교체에따른문제등실효성은검증이필요한상황 안전성 - 리튬이온전지의안정성이확보되지못할경우 EV에적용은한계가있음 Toyota도하이브리드자동차에니켈수소전지를적용한것은리튬이온전지의안정성문제가해결되지못한것이주요원인 리튬이온전지는고온, 고압, 충격, 과충전등에약한특징이있음 원인은리튬이온전지가기본적으로산화, 환원성이매우높은물질을사용할뿐만아니라설계상비수용성전해질을사용하여외부로의열손실율이높아안전성에문제가있기때문 리튬이수분과접촉하면격렬히반응하면서많은열을발생하고전지내부전해액도열과충격에발화하는성질이있어폭발의위험성이상존 최근에도휴대폰과노트북전지폭발사고가발생중인것으로보아 EV용으로리튬이온전지의상용화는시일이필요한상황 EV용리튬이온전지는여러개의전지를연결시켜작동하는방식이므로이중한두개의전지만문제가생겨과부하등이발생되면전체전지의폭발위험성이있음 문제해결을위해개스킷과금속캔으로습기와열을차단하고전류흐름, 온도, 압력을감지및차단하는방안등을개발중이며전해액을사용하지않는리튬폴리머전지등이대안으로개발중 주요리튬이온전지안정성기술 기술내용 조업정지분리막 난연전해질 조업정지배합제코팅 자료 : 한국과학기술정보연구원 과충전시발생열에의한미세기공의폐쇄로전극사이의이온수송이차단되며전류흐름을막음 기존전해질의용매는끊는점이낮고 30 근처인화점을가져화재의원인이되므로난연전해질로대체연구중 과충전예방을위해기기를조업정지시키는첨가제 LiCoO 2 양극입자를 AlPO 4 나노입자를피복하여전해질과의열적안정성을향상시킴
친환경자동차용리튬이온전지산업의현황및전망 81 Ⅳ. 향후전망및과제 메이저시장의트랜드변화주목 - 기존가솔린차시장과달리친환경자동차시장은아직초기시장도형성되지않아국가별추진전략이상이함 미국의 PHEV, 일본의 HEV, EU의클린디젤등국가별, 기업별로친환경자동차산업의주도권을잡기위한전략품목도상이 - 친환경자동차의충전소, 정책지원등인프라가부재한지역에서초기시장이형성되어상용화가활성화되는데한계가있음 개도국에서는친환경자동차가상용화되는데는인프라투자및가계소득등의영향으로선진국에서보다장기간필요 국내이차전지및소재부품업체들도메이저시장의트랜드변화에따른맞춤형개발전략이필요 단기적으로 HEV의시장확대가예상되며점차적으로 PHEV, EV의상용화로이어질전망 - 이차전지의현재기술수준으로는 EV가단기간에안정성, 가격, 충전시간등의측면에서상용화되는것은어려움 3) 수익성이확보되지않은상태에서 EV 상용화를위한대규모인프라투자를진행하기도어려움 - 각국의투자촉진책등으로인하여 EV가일부한정적인용도에적용될것으로예상되나실질적인문제들이해결되지않는상황에서상업판매까지는장시간이소요될가능성도있음 - 각국의환경규제등이강화될경우현실적인대안으로이미상용화단계인 HEV 시장의확대가예상되어단기적으로는 HEV용리튬이온전지개발에대한연구개발이요구됨 소재 부품의국산화 - 국내업체들의중요부품관련기술개발및시장확대필요 현재세계소형이차전지시장에서국내업체들의점유율이계속상승중이나양극활물질, 음극활물질등중요부품은일본에의존 3) 09 년현대 기아차에서는 20 년까지 HEV 개발에집중한다고발표하였으며 PHEV, EV 등은이후상용화가가능할것으로예상
82 산업이슈 향후친환경자동차시장확대시이차전지수요증가와함께안정적인부품공급과소재확보의중요성이높아질전망 국내이차전지업체들이국내소재업체들과전략적인제휴를통해안정적인부품공급과시장확대에노력해야함 대안으로서의신규전지개발주력 - 향후시장이하이브리드자동차가대세를이루고리튬이온전지의안정성문제가쉽게해결되지않을경우새로운대안이필요 - 현재금속공기전지 4) 등새로운개념의전지도리튬이온전지의적용이어려울경우대안으로연구중 친환경자동차용전지기술전망 자료 : 현대자동차 정부의지원책필요 - 친환경자동차시장의초기시장형성및활성화를위하여정부의적극적인지원책이필요 현재의보조금제도를좀더강화하고공공기관등에서신차구매시친환경자동차를구매할수있도록예산지원 친환경자동차구매시세금혜택등편의제공을통한구매유도 현수준에서상용화가어려운 EV는시범사업을활성화시켜관련업체들이지속적인관심을갖고개발에임할수있도록지원 향후이차전지의성능향상을위해부품소재업체들의기술개발에대한금융및세제상의지원필요 4) 고에너지밀도전지로서공기중의산소를양극활성물질로사용하여전지안에따로양극활물질을넣을필요가없는특징이있음