Update2024.05.21 (화)
첨단산업의 심장 ‘이차전지’, ‘석유시대’를 바꾼다
■전자제품의 심장 ‘이차전지’의 역사
휴대폰과 노트북을 지금과 같이 안전하고 오랫동안 사용할 수 있는 것은 ‘이차전지’의 발전 때문이다. 충전이 불가능한 알카라인 전지와 같은 일차전지 밖에 없었다면 지금과 같이 다양한 전자제품이 탄생하고 보급될 수 없었을 것이다. 이차전지는 전자제품을 넘어 관련 산업의 ‘심장’ 역할을 톡톡히 한 것이다.
2차전지 종류로는 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지(LIB, Lithium Ion Battery) 등이 있다. 납축전지는 1859년에 발명됐으나 큰 부피와 짧은 수명으로 인해 1948년에 상용화 된 니켈카드뮴전지(19세기 후반에 개발)에게 그 시장을 내준다.
니켈카드뮴전지는 이후 면도기, 전화기, 음악재생기기의 휴대성을 높이는데 큰 기여를 했다. 그러나 니켈카드뮴전지는 유해 중금속인 카드뮴을 사용한다는 치명적인 단점이 있었다. 이에 1989년에 나타난 니켈수소전지가 안정성과 고용량을 무기로 휴대폰, 노트북에 적용되며 시장을 넓혔다. 그러나 1991년 ‘더작고 더 가벼운’ 리튬이온전지를 소니가 시장에 선보이며 90년대 후반부터 리튬이온전지가 대세로 자리잡게 됐다. 그러나 리튬이온전지도 안정성, 고비용, 원료인 리튬의 한정성이라는 문제를 안고 있다.
이밖에 대용량 에너지 저장에 적합한 NaS 전지, 플로우(Flow) 전지 등도 개발됐다. 최근에는 ‘차세대 이차전지’로 △공기를 활물질로 활용해 현 수준 대비 10배 이상의 성능 향상이 가능한 금속공기전지 △전지 내부 물질을 고체로 해 안전성을 혁신시킨 전고체 전지 △풍부한 자원인 마그네슘이나 황을 활용해 혁신적으로 원가를 낮춘 마그네슘 전지와 리튬 황 전지 등이 각광받고 있다.
■세계시장규모 기술현황 및 전망
산업의 발전, 에너지 수요의 증가, 친환경성 요구 등 큰 흐름에 맞춰 이차전지 시장은 급성장할 것으로 기대를 모으고 있다. 대량생산과 소비라는 에너지 패러다임이 친환경적으로 에너지 전기차, ESS(에너지저장 시스템) 등에 적용되고 있기 때문이다. 일부에서는 전기를 만들 때도 환경오염이 발생하는데 전기차가 친환경적이라는 의문을 제기하지만 기름을 자동차에 넣을 때의 효율이 열손실에 의해 19~20%밖에 안된다면 전기로 모터를 구동시 효율이 80%가량 된다는 연구결과가 있다. 전체적으로는 에너지 효율이 2.5배, 사람에 따라 4배까지 증가한다.
이들 이차전지 중대형시장에서 각광받고 있는 배터리는 리튬이온전지(LIB)다. 가격은 낮추고 에너지 밀도를 높이는 연구가 진행 중이다. 맥킨지에 따르면 향후 LIB의 가격이 현재의 1/5 수준으로 떨어지고 200달러 이하가 된다면 더욱 영향력이 커질 것이라는 전망이 나오고 있다.
LIB는 스마트폰, 울트라북, 태블릿 등 시장에서 고용량의 얇은 배터리를 요구함에 따라 기존 소형시장에서도 큰 성장이 기대되고 있다.
IIT와 파이크 리서치(Pike Reseach) 등 시장조사 전문기관에 따르면 LIB시장은 2010년 110억달러(한화 12조7,600억원)에서 2015년 320억달러(37조1,200억원)로 연평균 25% 성장할 것으로 관측되고 있다. 소형시장이 연평균 9% 성장하는 동안 중대형 시장이 서서히 시장을 형성하며 소형시장을 앞지를 것이라는 전망이다.
소형 IT에서 車·ESS 중대형으로
LIB 2015년 37조시장, 新시장 선점 각국 ‘전쟁’
■LIB의 대세, ‘파우치형’
LIB는 외부 형태와 외장 재질에 따라 원통형, 각형, 파우치형의 세 가지로 분류할 수 있다.
원통형 LIB(18650형)는 노트북, 전동공구 등에 주로 사용되는 전지로서 에너지밀도가 가장 높고, 소재 및 전지 제조기술력 등에서 가장 난이도가 높다. 우리나라와 일본의 5개 주요 업체가 전세계 원통형 리튬이차전지 생산량의 90% 이상을 차지하고 있다.
각형전지와 파우치형 전지는 형태와 용도가 유사하며 주로 휴대폰용 전원으로 사용되고 있다. 파우치형 전지는 일반적으로 폴리머전해질을 사용하기 때문에 폴리머전지로도 불리지만, 각형이나 원통형전지에도 폴리머전해질을 사용할 수 있다.
비용은 원통형전지가 가장 저렴하고 파우치형이 가장 비싸다.
노트북에 많이 쓰이는 원통형전지는 점점 파우치형에 자리를 내주고 있으며 파우치형(폴리머)는 휴대폰, 태블릿 등에서도 수요가 지속 늘고 있다. 또한 파우치형은 가볍고 모듈화가 용이해 전기자동차 용으로 적합하다는 평가를 받고 잇다.
■각국 車·ESS용 전지개발 경쟁적 투자
이차전지 시장을 선점하기 위해 글로벌 기업 간 JV(조인트벤처) 또는 M&A(인수합병)와 신규 시장진입이 증가하고 있다.
전기자동차용 전지 개발과 안정적 공급을 위해 도요타와 파나소닉이 손잡고 파나소닉EV이라는 JV를 설립한게 대표적.
또한 다우, GE, IBM, BASF, 솔베이 등 글로벌 기업들이 전지 및 소재분야에 신규 참여를 발표했고, 국내도 포스코, 한화, SKC, 일진, GS칼텍스 등 대기업이 신규로 진출하며 치열한 경쟁을 예고하고 있다.
이는 ‘블루오션’인 이차전지 시장을 선점하기 위해 각국 정부가 앞다퉈 내놓고 있는 이차전지산업 육성정책과 맞닿아있다.
미국은 오바마 정부 들어 상용화 가능성이 큰 에너지저장 및 자동차용 이차전지를 집중적으로 지원하고 있다. 지난 2009년엔 전기차용 전지와 소재 제조분야에 15억달러를 투자한다는 ‘Recovery Act’를 발표했다. 특히 기초기술과 원천기술 개발을 위해 EFRC(Energy Frontier Research Center)를 설립하고 총 6,500만달러 이상을 투자하는 등 핵심소재와 전지개발에 이르기까지 통합적인 연구를 진행하고 있다.
일본은 이차전지 세계1위 기술 수성을 위한 ‘All-Japan Project’에 2007년부터 2015년까지 388억엔을 투자하고 있다. 이는 이차전지 소재-배터리-전기차 개발로 이어지는 프로젝트다.
후발주자격인 독일도 취약한 전기차용 전지산업을 지원하기 위해 ‘Economic Stimulus Package II’ 프로그램에 5억유로를 투자했고 소재-제조-리싸이클링 등 전 밸류체인에 해당하는 연구센터와 실증설비 구축을 지원하고 있다. 2009년부터는 3,500만유로를 투자해 ESS용 이차전지 개발에 뛰어들었다.
중국 또한 중대형 이차전지기술을 새로운 첨단 핵심기술로 지정하고 국가첨단기술 연구발전 프로젝트(863 project)를 통해 약 600만 위안을 투입하는 등 중점 육성에 나서고 있다.
우리나라의 경우 지난 2010년 7월 관계부처 합동으로 마련한 ‘이차전지 경쟁력 강화 방안’을 통해 소형시장에 이어 중대형시장을 선점하기 위한 정책을 발표했다. 이에 2020년까지 민관 합쳐 총 15조를 집중 투자해 이차전지 생산 세계 1위, 소재 국산화율 75%로 수출국가 전환이라는 비전을 제시했다. 특히 미래선도 차세대 이차전지 개발을 위해 파급효과가 가장 큰 것으로 알려진 금속공기전지를 선정해 우선 개발키로 했다는 점이 눈에 띈다.
■LIB시장 변화, 놓치지 말아야
국내 삼성, LG, SK 등 대기업들의 발빠른 투자로 소형 LIB시장에서 한국기업들이 일본을 눌렀다. 지난해 기준으로 삼성SDI과 LG화학의 이차전지 시장점유율은 각각 23.6%, 16.4%로 집계돼 세계 시장의 40%를 차지함으로써 산요, 소니 등 일본기업(33.7%)을 앞지른 것이다.
또한 전기자동차용 전지분야에서도 글로벌 자동차 기업들과 잇따른 제휴 소식으로 국내 기업들이 계속 세계시장에서 승승장구할 것이라는 장밋빛 전망도 나오고 있다.
그러나 전지 소재 국산화가 만족할 만한 수준에 오르지 못했고 충방전과 안전에 대한 소비자들의 불만과 우려를 완전히 해결하지 못한 상황이라는 점을 인지해야 한다. 소재가격이 전체 원가의 80%를 차지하고 있는 상황에서 저가 소재를 개발하고 기술 국산화를 이루지 못한다면 높은 영업이익을 기대할 수 없다. 국내기업들은 그동안 공정 혁신을 통한 효율적 생산, 규모의 경제에 의한 원가 경쟁력에 의존해 왔기 때문이다.
또한 LIB의 핵심 원재료인 리튬이 남미지역에 집중 매장돼 있어 수급불안 요소를 항상 안고 있다는 점도 간과해선 안된다. 따라서 도시광산을 이용한 리튬의 재활용 또는 해수에 풍부한 리튬을 추출하는 기술 등 여러 리튬 확보 방안을 모색해야 한다.
자동차 및 ESS에서 요구하는 LIB의 수준이 소형 IT시장보다 높다는 점도 인지해야한다. 이들 중대형시장에서는 고도의 안전성과 신뢰성이 요구되므로 품질관리 수준이 매우 높기 때문에 LIB산업 자체의 수준도 그만큼 오를 것으로 기대되고 있다.
당분간 이차전지분야에서의 LIB시대는 지속될 것이 유력하다. 근 20년간 쌓아온 기술과 제품화 경험 그리고 글로벌기업들의 진입이 이를 뒷받침 해준다. 그러나 이차전지 시장이 변화하고 있는 가운데 차세대 전지개발과 함께 소재 전문 기업과의 제휴나 인수합병 등에 적극적으로 나서 차세대전지 상용화에 발빠르게 나서야 한다는 것이 전문가들의 조언이다.
