Update2024.05.07 (화)
이차전지 세계 동향 및 국내 현황과 과제
■국가별 동향(미국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
미국은 1991년 USABC(United States Advanced Battery Consortium)와 2003년 FreedomCAR & Fuel Partnership을 설립하고, 자동차용 전지 개발을 위해 산학연 컨소시엄을 구축해, 수명 15년, 출력 25 kW 및 가격 20달러/kW의 전지를 2010년까지 개발하는 프로그램을 추진했다.
미국 DOE(Department of Energy)는 에너지저장 및 자동차용 이차전지를 집중적으로 지원하고 있으며, 2009년 8월 전기차용 전지와 소재분야에 15억달러를 지원했고 전지관련 기반 구축을 위해 국립연구소별로 특화시켜 2,500만달러를 지원했다.
DOE내 Office of Science에서 기초기술과 원천기술 개발을 위해 2009년부터 이차전지와 관련 4개의 EFRC(Energy Frontier Research Center)를 선정, 총 6,500만달러 이상을 지원하고 있다.
미국은 기초원천 연구부터 핵심소재 및 전지개발에 이르기까지 통합적으로 지원하고 있으며, 양극, 음극 및 전해액관련 연구는 연구소 및 대학에서 주로 연구가 진행될 수 있도록 정책적으로 배려하고 있다.
■국가별 동향(일본)
일본은 2007년 전지 관련 산업체·연구계·학계 전문가가 참여해 일본의 전지개발 로드맵을 작성했으며, 이 로드맵을 기준으로 NEDO의 ‘차세대 자동차용 고성능 축전시스템 기술개발과제‘ 가 진행 중이다.
이 로드맵을 바탕으로 2007년부터 2011년까지 5년간 110억엔의 자금을 투입, ‘차세대 자동차용 고성능 축전시스템 기술’ 개발을 진행했으며 최종목표는 현재 전지성능 1.5배, 가격 1/7을 달성하는 것이었다.
연구 내용으로는 요소기술, 차세대기술, 기반기술 등의 영역으로 구분되며, 요소기술 개발에는 각종 전지소재의 고성능화·모듈화 기저코스트화 기술 등이 포함돼 있다.
또한 2009년부터 7년간 ‘All Japan Project’라는 별칭의 ‘혁신형 전지 첨단과학 기반연구사업’에 총 210억엔을 지원, 전기자동차용 전지시스템 개발을 실현으로 탄소 배출량을 1/4로 저감하기 위한 21개 과제에 산·학·연이 참여하고 있다.
■국가별 동향(유럽)
독일, 프랑스를 중심으로 전기차·에너지 저장 분야의 프로젝트를 활발히 추진하고 있다.
◇전기차용 이차전지 프로젝트
LIB2015 프로젝트는 독일의 폭스바겐, BASF, Li-Tec, Bosch 등이 컨소시엄을 형성 2008~2011년까지 6,000만유로를 투입해 전기차용 전지를 개발 추진한 프로젝트다.
Federal Economic Stimulus Package II-Projects는 EU가 2009~2011년까지 5억유로를 투입해 E-Mobility Center 구축, 전기화학 연구 클러스터, 에너지연구, 배터리 제조, 필드 테스트, 배터리 시험센터, 리사이클링 파일롯 설비를 구축한 프로젝트다.
◇에너지 저장용 이차전지 프로젝트
독일 Ministry of Economy는 2009년부터 3,500만유로를 지원해 에너지 저장용 전지를 개발하는 프로젝트다.
또 독일 환경부와 프랑스 경제성은 공동으로 태양광 주택용 LIB 개발 프로젝트(SOLION, 2012년 상용화 목표)를 진행 중이다.
■국가별 동향(중국)
중국은 중대형 전지기술을 핵심기술로 지정해 육성에 주력하고 있으며, 국가첨단기술 연구발전 프로젝트(863 project)를 통해 탐구형(100만 RMB)과 목표지향형(500만 RMB) 과제로 전기자동차 개발을 지원하고 있다. 또한 'China Torch Program' 프로젝트로 자동차와 전지업계가 연계된 개발을 지원하고 있다.
■국가별 동향(한국)
◇기술경쟁력 분석
현재 상용화된 소형 리튬이차전지에 사용되는 양극소재는 유미코아, L&F, 에코프로, 대정이엠, 새한미디어 등에서 양산하고 있으며, 기술수준이 일본과 거의 동등한 수준으로 평가받고 있다.
그러나 최근 양극소재의 화학조성이 다원계로 매우 복잡해지면서 전구체 기술 중요성이 부각되고 있으나 이러한 전구체 기술은 일본에 비해 90% 수준으로 취약한 실정이다.
한편 음극소재의 국산화율은 현재 거의 제로 수준으로 일본과의 기술수준은 격차가 크다. 특히 음극소재 업체 및 연구소의 흑연화 기술은 전무한 실정이며, 천연흑연의 핏치 코팅 등의 표면개질기술을 일부 확보하고 있다.
■국내외 주요 기업의 생산활동
리튬이차전지용 소재는 주로 일본계 업체가 생산과 공급을 거의 독점해 왔으나, 수년 전부터 한국과 중국의 소재업체의 시장점유율이 상승하고 있고, 신규로 진입하고 있는 회사가 늘고 있는 추세다.
2010년에는 삼성SDI 및 LG화학의 리튬이차전지 생산 호조로 유미코어가 32%의 점유율로 세계 1위를 차지하고, 이어 일본의 니치아가 24%로 2위를 점하고 있다.
양극소재 생산업체 수는 2009년 기준으로 일본 13개, 국내 5개로 열세이며 국내 업체는 LCO 및 NMC 생산에 집중돼 있으며, 일본 업체는 다양한 종류의 양극소재 기술을 확보해 생산하고 있다.
또한 벨기에 회사인 유미코어를 제외하면 양극소재의 국산화율은 약 27%에 불과하며, 국내 기업 대부분은 영세 중소기업으로 R&D 역량 및 설비투자 여력이 거의 없는 실정이다.
일본 음극소재업체는 2009년 기준으로 10여사에 달하며, 중국도 흑연계 음극소재를 양산하는 업체가 3~4개에 달하나, 국내는 양산업체가 전무해 국산화율이 제로로 시급한 대책이 필요하다.
2010년 세계 시장점유율 1, 2위는 히타치화성과 일본카본으로 변화가 없으나, 중국 BTR과 Shanshan이 각각 3, 4위를 점유했다. 특히, 중국 음극소재 기술 및 품질이 향상돼 최근 삼성SDI에서는 일본카본과 BTR이 치열한 로앤드품 싸움을 전개 중으로 알려져 있다.
음극소재의 종류별로 보면 전체적으로는 NG코어(천연흑연 베이스) 비율이 상승해 53%에 달했으며, 인조흑연계는 38%로 감소하는 추세다. 고품질의 고가품에서는 높은 기술력을 갖는 일본이, 저가품에서는 중국 업체가 가격경쟁력을 갖고 있어 국산화가 곤란한 상황이다.
■시장규모 및 전망
리튬이차전지용 전체 소재시장은 전지 시장 확대에 맞춰 2015년에는 130억달러 규모의 시장 확대가 예상된다. 특히 전통적으로 가장 높은 가격비중을 차지하는 양극소재 시장의 성장과 더불어 새로이 중대형 전지에서의 사용량이 높아지는 분리막 시장이 매우 급격히 성장할 것으로 예상된다.
2008년 리튬이차전지용 양극 소재 시장은 전년대비 19% 증가할 것이며 LCO의 채용 비율은 전체의 2/3까지 감소할 것으로 예측된다. 전체 물량으로 보면 LCO는 미세한 감소가 있으며, 코발트 가격의 급격한 상승을 보상하고자, Ni-Mn-Co의 3원계 양극소재(NMC)의 채용이 급격히 증가하는 추세다.
리튬이차전지용 음극소재 시장은 천연흑연 코어(NG코어)를 적용한 일본카본과 히타치화성의 저가품 매출이 계속 확대되고 있는 추세다.
반면, PVDF계 바인더를 사용하고 있는 소니는 메조페이스계 음극소재를 사용하고 있으며, 아직까지는 그 추세를 유지하고 있는 상황이다. 동사는 음극소재가 제품에 따라 다양하지만, 기본적으로는 KMFC와 히타치 분말야금 제품을 사용한다. 히타치화성의 MAGE/J의 후속 제품에 필적하는 1.8g/cc의 최고 수준 전극 밀도 KMFC-GC도 폴리머 고용량품 Apelion에 본격 채용될 예정이며 원통형 셀 G9-2.8Ah, G10-3.0Ah에서도 사용될 계획이다.
음극소재 Top3 제조업체인 히타치 화성·JFE·일본 카본은 3S(산요·소니·삼성SDI)의 물량 증가에 대응하면서 수량과 점유율을 지속적으로 높여나갈 것으로 예상된다.
최근 친환경자동차용 리튬이차전지에 사용되고 있는 Hard Carbon 및 Soft Carbon과 같은 저결정성 탄소재료가 향후 주요 시장을 형성할 것으로 전망되며 이 분야에서도 일본 업체가 시장과 기술을 주도해 나갈 것으로 예측된다.
■향후 연구개발 과제
앞으로 개발돼야 할 연구과제에는 △고용량, 고안전성 양극활물질 기술 △저코스트 양극활물질 기술 △고용량, 저코스트 음극활물질 기술 △금속공기전지용 소재 기술 등이 있다.
◇고용량, 고안전성 양극활물질 기술
고용량, 고안전성 양극활물질 기술 안에는 △Ni-rich계 고안정화 기술 △aqueous template-assisted 차세대 표면개질 기술 △유기양극소재와의 self-assembly를 이용한 차세대 복합화 기술 △Mn-rich계 율특성 및 사이클 특성 향상 기술 △실리케이트계 소재 제조 기술 △고전압 스피넬 양극소재 및 전해액 기술 등의 개발과제들이 있다.
◇저코스트 양극활물질 기술
저코스트 양극활물질 기술 안에는 △Fe계 및 Mn계 올리빈구조 양극소재 기술 △Mn계 스피넬 양극소재 기술 △저가 원료 이용 전구체 합성기술 △저코스트 공정프로세스 기술 등의 개발과제가 있다.
◇고용량, 저코스트 음극활물질 기술
고용량, 저코스트 음극활물질 기술 안에는 △저가 탄소계 전구체 제조기술 △저온소성 탄소계 음극활물질 기술 △금속 및 금속산화물 팽창제어 기술 △천연흑연 표면개질 기술 △금속(산화물)-탄소 복합화 기술 △탄소 전구체의 흑연화 기술 등의 과제가 있다.
◇금속공기전지용 소재 기술
금속공기전지용 소재 기술 안에는 △금속공기전지용 공기전극 촉매 기술 △다공성 촉매층 전극제조 공정기술 개발 △CO2 및 수분 제어 필터링 기술 개발 △음극 금속재료 형상 설계 및 제조공정 기술 개발 △부식억제 첨가제 조성 및 전해액 조성 개발 △산화금속의 재처리 공정 기술 개발 등의 과제가 있다.
■2차전지 강국을 향한 과제
◇전주기 R&D관리시스템 확립을 통한 협업개발 강화
이차전지기술개발 관련 통합형 대형 프로젝트를 통해 기업 간 수요연계형 과제, 선행연구가 필요한 과제 등을 선별, 산·학·연 협업시스템에 기반을 둔 R&D 추진으로 개발효과를 극대화할 필요가 있다.
장기적이고 종합적인 이차전지소재에 대한 정부 정책과 민간 투자의 연계 등 산업육성을 위한 로드맵 수립과 재원 지원이 필요하다.
◇경쟁체제 도입형 R&D 시스템 추진
이차전지 핵심소재와 전지시스템 개발 등 정부지원 개발과제에 대해 경쟁개발 시스템을 도입, 기술개발에 대한 동기부여와 과제 완성도를 제고할 필요가 있다.
◇선택과 집중의 전략적 R&D투자 강화
이차전지용 핵심 소재기술 개발이 사업화로 연계되도록 하기 위해 원천기술 개발 시 연구능력을 보유한 출연연과 대학 등의 컨소시엄에 수요기업의 참여를 유도하고, 경쟁사제품 분석(Benchmark Test), 기술타당성 평가(Technology Assessment), 소재기술개발(Full Spec. Development) 과정의 단계별 연구관리를 강화해야 한다.
◇내실 있는 성장을 견인할 산업기반구축
이차전지 기술 발전 및 기업지원의 기초가 되는 필수적 인프라를 구축, 이차전지 기술개발을 밀착 지원하고, 출연연 및 대학의 사업 중복 등 비효율성을 제거하기 위해 기 구축된 장비의 기업지원 실적 등 역량분석을 통해 인프라 구축 지원방안을 마련해야 한다.
또한 인력양성 사업의 효율적 추진과 성과제고를 위해 산·학·연 인력양성협의체 운영, 수혜기업의 출자 비율 확대, 산업체 필요 정보 제공의 효율적 지원, 전시회 개최 및 지원, 표준화 주도 등 기업지원 시스템을 구축해야 한다.
