에너지 사용량 증대와 화석연료 고갈, 여기에 범지구적인 친환경 에너지 요구로 인해 각광받는 분야가 에너지 저장장치다. 충방전 특성으로 전력 부하조절이 가능한 2차전지는 그린카, 신재생에너지 보급 확대와 스마트그리드 정착을 위해 꼭 필요하다. 일본 NEDO에 따르면 2030년까지 태양광 및 풍력 보급을 위해 2차전지 94GW가 필요한 것으로 전망되고 있다.

현재 배터리분야의 대표주자인 리튬2차전지는 휴대폰, 노트북 등에 널리 쓰이고 있으나 전기자동차, 에너지저장장치(ESS)와 같은 중대형 수요시장에 적용될 것으로 예상되며 시장이 급성장할 전망이다. 에너지 시장조사기관 솔라앤에너지에 따르면 2020년 배터리 시장규모는 전기차용이 70~80조원, ESS가 10조원에 이르며 소형 및 IT용 시장(20조원)을 크게 앞지를 것으로 예상되고 있다.

2차전지는 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액 등 4대 부품이 핵심을 이룬다. 2차전지의 에너지저장 양, 저장 및 방전속도, 사이클 수명, 열 안정성 등을 결정하는 핵심요소는 양극 및 음극 소재다. 이에 전기차, ESS 등 중대형 전지의 상용화를 위해선 고에너지화, 고안전성은 물론 특히 값이 싼 새로운 양극 및 음극소재의 개발이 필요하다. 현재 음극소재는 카본계, 양극은 리튬코발트산화물계(LCO)가 주로 사용되고 있다.

이에 삼성SDI가 총괄주관을 맡은 고성능 2차전지소재 사업단은 △전기자동차용 양극 △전기자동차용 음극 △에너지 저장용 양극 △에너지 저장용 음극 등 개발에 나서고 있다. 이들 소재의 시장규모는 2019년 국내외 51조 규모로 성장이 예상된다. 사업단은 WPM 1차년도에 전기자동차 및 에너지저장용 양극소재를 세계 최고의 각각 82% 및 92% 수준으로 개발하는 성과를 보였다.

▲ SWOT분석.

■값싼 양극재, 전기車 상용화 ‘열쇠’

전기자동차용 양극소재는 리튬2차전지에서 전하를 운반하는 리튬을 제공하는 역할을 하며 WPM을 통해 기존소재 대비 고에너지, 고출력 및 장수명 구현이 가능한 소재가 개발된다.
특히 양극소재는 2차전지의 가격의 30~40%를 차지할 정도로 비중이 가장 커 전기자동차용 리튬2차전지 상용화에 있어 중요한 열쇠다.

기존 소형 리튬이온전지에서 사용되었던 리튬코발트산화물(LCO)는 전기자동차용으로 사용되기에는 용량, 매장량, 가격 및 안전성 등의 많은 한계를 가지고 있다. 이에 3성분계인 리튬니켈코발트망간 복합산화물(NCM), 리튬니켈산화물(LNO), 올리빈계 소재인 리튬철인산염(LFP), 리튬망간인산염(LMP), 스피넬계 소재인 리튬망간산화물(LMO)등에 대한 기술개발 및 사용이 세계적으로 이뤄지고 있다.

이들 재료들의 공통적인 특징은 LCO보다 재료의 밀도가 많이 떨어져 전기자동차용 리튬이온전지에 필요한 에너지밀도를 구현하기에는 한계가 있다는 점이다. 이에 Li/Mn rich 계, LiCoPO4, LiMSiO4, Fe 도핑 층상계, V계등 다양한 양극소재의 개발이 이뤄지고 있다. 현재 양산화가 가능한 것은 하이브리드 타입의 양극소재로 NCM+LMO 또는 NCA+LMO 등이다. 또한 Li/Mn rich계 층상암염형 양극재가 개발단계에서 가장 주목 받고 있다.

세계적인 양극활물질 기술 보유 업체로는 일본 업체가 중심을 이루고 있다. 니치아, 일본화학공업, 정동화학, 세이미, 소니, 파나소닉, 도시바, 미쓰비시, 스미토모, 토다 등은 차세대 활물질 개발에 연구 인력을 집중하고 있다.

미국은 DOE를 중심으로 전기자동차용 리튬2차전지 기술확보에 총력을 기울이고 있다. 일본으로부터 열세를 만회하기 위하여 GM을 선두로 니켈수소전지가 아닌 리튬이차전지를 사용하는 플러그인HEV 기술개발에 집중하고 있다. 세계적인 화학기업인 BASF를 비롯해 다우, 듀폰 등에서도 소재개발에 착수한 것으로 알려져 있다.

국내의 경우 한국유미코아가 삼성SDI 및 LG 등에 소형 리튬이차전지 양극 소재인 LCO의 납품을 시작으로 세계적인 양극 제조업체로 나서고 있다. 중대형 전지용 양극소재로 LMO, NCA, LFP의 개발을 진행 중인 것으로 알려졌다.

이외에도 에코프로와 엘엔에프가 양산화 단계에 진입했고 대정EM과 휘닉스피디이, 일진소재, 한화 등도 중대형 리튬2차전지용 차세대 양극소재에 대한 연구개발을 진행 중이다.

LG화학과 삼성SDI라는 빅2 기업들이 GM 등에 리튬이차전지를 납품하면서 지난해 처음으로 일본을 제치고 세계에서 가장 많은 양극재 수요국에 오르기도 했다.

에너지저장용 리튬2차전지 양극소재의 경우 원료가격이 싸고 독성이 없으며 출력특성이 우수하고 안정성이 확보된 5V급 Mn-스피넬계 양극재가 최적인 것으로 알려져 있다.

상업화 수준에 도달한 국내 업체는 피닉스PDE와 한국유미코어가 있다.

5V급 스피넬 양극재 합성은 망간 전구체로서 MnO2가 사용되며 이 물질이 원가의 60%이상을 차지하고 있어 국산화를 위해선 MnO2 전구체 국산화도 병행돼야 한다. 그러나 국내에는 Mn3O4 이외의 망간산화물 전구체를 양산할 수 있는 업체가 전무한 실정이다.

이처럼 리튬2차전지가 에너지저장용으로 사용되기 위해서는 무엇보다 가격이 낮아져야 하며 따라서 고에너지이면서도 저가격의 소재개발이 핵심이라고 전문가들은 밝히고 있다. 소재개발 업체 조차 부담스러울 정도의 목표가격으로 인해 전력저장용 소재개발에 어려움을 겪고 있어 혁신적인 제조공정개발이 무엇보다 요구되고 있다.

▲ 사업단 참여기관.

■신소재 음극개발로 최대용량 높여야

음극재는 리튬이온과 전자를 전지 충전시 저장했다가 방전시 내어주는 역할을 한다. 현재 주로 흑연계 탄소재가 널리 쓰이고 있으나 최대 저장용량(372mAh/g)이 낮다는 한계가 있어 이를 극복할 수 있는 금속 합금계，산화물계 및 금속/탄소 복합계 등 신규소재가 국내외에서 개발 중이다.

미국과 일본 등은 고용량 음극소재로서 큰 실리콘(Si) 및 주석(Sn)등의 금속계 소재를 이용한 소재 개발을 활발히 진행 중이다.

일본 미쓰비시 화학(Mitsubishi Chemical)과 산요 전지에서는 Si 금속 재료의 급격한 부피 변화를 제어하기 위해 Si/C 복합체를 합성했다. 소니는 VTR 전지팩으로서 세계 최초로 음극을 Sn계 재료로 대체한 바 있다.

국내에서는 탄소소재의　표면개질, 입자 형상 및　크기를 제어해　고출력화를　기하는　기술개발이　이루어지고　있으나 이를 통한 고에너지의　음극소재 개발　및　저가　상용화는　아직　미미한　수준이다. 또한 신규 물질에 대한 연구는 실험실 수준에 그치고 있으며 삼성 SDI, LG화학 등 대기업에서 리튬 금속을 이용한 합금계 음극의 비가역 용량 개선에 관심을 보이고 있는 것으로 알려졌다.

에너지저장용에 있어서는 탄소계 소재를 대신해 티탄산리튬(Li4Ti5O12)이 뛰어난 출력과 안전성으로 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.

우리나라는 세계적인 전지 생산국에 올랐으나 일본에 비해 10여년 늦게 양산을 시작하며 그동안 부품소재 및 생산 장비를 일본에 의존하면서 양적성장에만 치중해왔다. 특히 음극재의 경우 국산화율은 2.7% 수준으로 거의 수입에 의존해오고 있는 상황이다. 그러나 최근 포스코켐텍이 연산 2,400톤, GS칼텍스가 연산 2,000톤 규모의 음극재 공장 착공에 나서며 국산화에 나섰다. 또한 SK이노베이션, 한화케미칼, 삼성정밀화학, 애경유화 등도 시장진입을 준비하고 있어 우리나라도 2차전지 소재강국으로 한걸음 내딛을 전망이다.