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[오토저널] 2차 전지 기술 및 시장동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-06-20 11:45:20

본문

리튬이온 기반의 2차전지는 전기자동차를 중심으로 역사상 전례가 없는 수준으로 적용이 확대되고 있으며, 에너지 밀도의 향상, 화재 사고 등의 안정성 재고, 원재료를 포함한 생산능력이 주요한 해결 과제들이다. 2차 전지 시장과 기술동향에 대한 고찰을 통해 향후 방향성에 대해 고민해 보고자 한다.

2차 전지 시장
2차 전지(Secondary/Rechargeable Battery)는 충전을 통해 일정기간 재 사용이 가능한 전지를 통칭한다. 자동차 시동용으로 오랜 기간 사용되고 있는 납산전지(Lead Acid)나, 1950년대부터 전동공구, 소형 가전에서 널리 사용되고 있는 니켈 기반(예 : Ni-Cd배터리), 1991년 최초로 상용화되어 2010년대에 전기자동차를 위주로 급격하게 사용이 확장되고 있는 리튬이온 배터리 등이 모두 2차 전지에 해당된다<그림 1, 2>.

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리튬이온 기반의 배터리는 다른 기술 기반의 배터리 대비하여, 규모를 예측할 수 없는 수준으로 성장하고 있으며, 자동차 전체 수요를 충당할 경우 연간 700조 수준에 달할 것으로 추정된다. 향후 배터리 시장의 급격한 성장 가능성을 고려할 때 유럽과 미국은 한중일 3국의 회사들이 주도하고 있는 배터리 시장의 주도권을 되찾기 위한 노력을 경주할 수 밖에 없는 상황이다.

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유럽은 폭스바겐, 볼보, ABB 등과 같은 대기업과 전략적 제휴를 맺은 노스볼트와 같은 스타트업을 통해 표준화된 배터리(각형, 원통형)를 수급하는 계획을 실행하고 있으며<그림 3>, 한중일 3국의 배터리사 유치와 동시에 원재료와 중간재료의 공급망을 빠르게 구축해 나가고 있다<그림 4>.

미국의 경우, 바이든 행정부의 2035년 탄소중립 전력생산, 2050년 Net-zero emission 정책 기조와 더불어 리튬이온 배터리의 전 공급망을 2030년까지 구축하는 계획의 청사진을 제시하였다<그림 5>. 이는 2025년까지 73%에 해당하는 점유율이 예상되는 중국에 경쟁우위를 가지려는 정책이며, GWh당 약 0.1조원이 투자되어야 하는 배터리산업의 특성상 북미 지역을 중심으로 대규모의 투자가 지속될 것으로 예상된다<그림 6>.

2차 전지 기술
2차전지는 양극(Cathode)의 양전하를 음극(Anode)으로 이동시키는 충전과 그 반대 방향의 방전을 위해 전해질(Electrolyte)와 분리막(Separator)를 기본 구성요소로 한다 <그림 7>. 이러한 4가지 구성요소의 종류에 따라 에너지 밀도, 안전성, 내구성 등의 배터리 특성이 변화한다.

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1850년대 납산 전지이후, 양극과 음극의 화학조합의 단계적 발전을 통해 에너지 밀도는 계단식으로 향상되어 왔으며, 2015년 이후 급격한 전기차의 증가에 따라, 리튬이온 기반으로 양극재, 음극재, 전해질 등의 개선을 통해 점진적으로 에너지 밀도를 개선하고 있다<표 1>.

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현재의 대표적인 적용 방향성은 3원계(NCM-니켈, 코발트, 망간) 양극재에 니켈 함량을 90% 이상 적용하여 에너지 밀도는 높이고, 원가를 절감하는 방법과, 음극재에 적용되는 흑연(Graphite)에 실리콘(Si)를 첨가하여 에너지밀도와 충전속도를 높이는 방법을 적용하는 것이다.

에너지 밀도, 충/방전 속도 및 온도, 내구, 안전성 등의 요소를 개선하기 위한 노력은 계속되고 있으며, 특히 에너지 밀도를 비약적으로 증가시키기 위한 전고체 기술과 안전성과 내구를 향상시키기 위한 LTO(Lithium Titanate Oxide) 음극을 적용하는 기술들이 개발되고 있다<그림 8>.

전고체 배터리 기술
전고체 기술은 차세대 전지기술로 각광받으며, 토요타, 국내 배터리 3사뿐 아니라, 전세계의 많은 스타트업들이 개발에 매진하고 있다<그림 9>. 분리막 기술(황화계, 폴리머, 세라믹), 음극판의 소재(흑연계, 리튬메탈계) 및 가공 방법 등 분야에서 여러가지 시도가 진행되었으나, 대규모의 양산성을 확보하기 까지는 많은 시간이 소요될 것으로 보인다<표 2>.

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용량의 확보(적층수와 면적당 에너지 밀도), 내구성능, 동작온도와 동작압력등 모든 성능적인 부분들에서 기술개발해 나가야 할 부분이 많이 남아 있으며, 소규모 양산과 차량에 대한 시범 적용은 시도될 것으로 판단되나, 기존 사양을 대체하기까지는 선결할 사항들이 많은 것으로 판단된다.

LTO 배터리 기술
LTO 배터리는 상대적으로 에너지 밀도는 낮으나, 빠른 충전 속도(10C 기준 6분), 우수한 저온성능(-30도), 강한 출력(10C), 긴 수명(7,000회 이상)등의 우수한 동작성능과 높은 열폭주 온도(400도 이상)으로 폭발 및 발화 위험이 없는 고 안전성으로 군수, 철도, 항공, 조선등의 분야에서 기존 배터리를 대체하는 판단되고 있으며, 자동차 분야에서도 하이브리드 자동차등의 높은 충방전 성능이 요구되는 부분에서 대안으로 부상하고 있다<그림 10>.

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우리는 유례없는 에너지 전환의 시대에서 대규모 공급망 변경을 수반되는 10년을 경험할 것은 명확해 보인다. 2차 전지 분야에서 경쟁력을 확보하고 있는 국내 3사뿐만 아니라, 신기술을 개발하는 스타트업, 연구소와 대학, 소재/부품을 공급하는 중소, 중견기업과 정부가 협력하여 다음 10년후에 탄소중립과 경제적 성장을 달성하기를 기대해 본다.​
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