울산시와 삼성SDI는 5월 9일(월) 오후 2시 삼성SDI 울산사업장에서 ‘전지·소재 복합단지 개발 투자양해각서’를 체결했다.

협약식은 울산시와 삼성SDI 관계자들이 몇 차례 걸친 협의를 통해 울산시의 전기차 산업 경쟁력 강화 방안을 모색하는 과정에서 이루어진 것이다.

이 협약서에 따르면 삼성SDI는 울주군 삼남면 하이테크밸리 산업단지 내에 전지 소재 복합단지 개발을 위해 적극 투자키로 했다. 또한 울산 소재 대학 등과의 2차 전지산업 연구에도 적극 참여할 계획이다.

울산시는 원활한 ‘전지·소재 복합단지’ 개발에 필요한 기반 시설 설치 및 관련 인·허가 행정지원과 세제감면 등이 가능토록 협조할 예정이다.

삼성SDI는 2020년까지 전기차용 2차전지 사업에 3조 원을 투자해 울산, 중국 시안, 유럽 등 글로벌 3각 체제 구축으로 세계 Top 수준의 전기차용 2차전지 기업으로 발돋움한다고 밝힌 바 있다.

김기현 울산시장은 “삼성SDI 울산사업장의 전지·소재 복합단지 개발을 통해 울산시가 전기차용 배터리를 비롯한 글로벌 전기차 산업의 거점도시, 신성장동력 산업으로 자리매김하는 창조경제의 새로운 모델이 될 수 있도록 모든 지원을 아끼지 않을 것”이라고 말했다.

이어 삼성SDI 조남성 사장은 “어려운 결정과 지원을 아끼지 않은 울산시에 감사를 전하고, 울산지역 대학 등은 물론 기업들과 협조체제를 구축하여 울산 경제 활성화와 지역발전에 기여하겠다”고 전했다.

한편 전 세계 전기차 시장은 지난해 216만대에서 오는 2020년 1,044만대로 확대되고, 전체 자동차 시장에서 전기차의 비중도 2%에서 10%로 급성장할 것으로 전망되고 있다.

리튬 이차전지는 전기차 및 에너지 저장 시스템용 등의 중대형 이차전지 수요 증가로 새로운 성장기에 접어들고 있다. 리튬 이차전지는 주로 휴대폰 등 모바일 IT 기기의 전원으로 사용되고 있지만, 대용량화 기술이 발전함에 따라 자동차 및 에너지 저장 등의 용도로 사용이 확대되고 있는 중이다.
테슬라로 대변되는 전기차 시장이 형성됨에 따라 전기차용 리튬 이차전지 수요가 빠르게 증가하고 있다. 리튬 이차전지는 스마트그리드로 21세기 에너지 혁명의 핵심역할인 에너지 저장장치로써 중추적인 역할을 할 전망이다.
본지에서는 날로 중요성이 커지고 있는 리튬 이차전지 산업의 기술 및 시장동향을 알아보고, 향후 리튬 이차전지 산업의 발전 가능성 및 시장전망에 대해 살펴보고자 한다.

자료. 한국수출입은행 해외경제연구소 강정화 선임연구원

1. 리튬 이차전지 기술동향

(1) 리튬 이차전지 작동원리 및 구조

이온상태로 존재하는 리튬이온(Li+)이 방전시에는 양극(Cathode)에서 음극(Anode)으로, 충전 시에는 음극에서 양극으로 이동하면서 전기를 생성한다.
전해질의 종류에 따라 ‘일반 리튬이온전지(LiB, 액상형 전해질)’와 ‘리튬폴리머전지(LiPB, Gel 또는 고체 고분자 형태의 전해질)’로 구분되며, 전지의 형상에 따라 원통형과 각형으로 분류된다.
리튬 이차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 등 주요 4개 소재로 구성되어 있다.
리튬 이차전지는 충전시 리튬이온을 제공하는 양극, 리튬이온을 저장하는 음극, 양극과 음극에서 발생한 전자가 외부회로를 통해 일을 할 수 있도록 내부단락을 방지하는 분리막, 리튬이온이 이동할 수 있는 공간과 환경을 제공하는 전해액으로 분류된다.
또한, 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 조립해 만들어지며, 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 4대 소재가 전체 생산원가의 50%를 차지한다. 소재부분의 원가 구성은 양극재가 44%, 분리막 14%, 음극재 10%, 전해질 7% 순이다.

(2) 리튬 이차전지 주요 소재 기술개발 동향

① 양극재

양극재는 리튬 이차전지 소재 가격 중 약 44%를 차지하는 핵심소재로 리튬코발트산화물, 리튬망간산화물, 리튬인산철산화물이 많이 사용한다. 한국 및 일본 기업들은 활성이 높은 리튬코발트산화물(LCO), 니켈코발트망간(NCM) 계열을 개발하고 있으며, 미국 및 중국 기업들은 리튬인산철산화물(LFO) 개발에 집중하고 있다.
리튬코발트산화물은 에너지 출력 및 높은 수명으로 상업화 초기에 가장 널리 사용돼 왔으나, 희귀금속인 코발트 높은 가격과 안정성 문제로 코발트 성분의 일부를 망간 및 알루미늄으로 대체되는 추세다. 리튬인산철산화물 코발트 대신 철을 사용하기 때문에 가장 저렴하고 안정성이 높으나 순도 및 전기전도도 등 성능 측면에서 개선이 필요하다.
그에 따라 더 작고 오래가는 리튬이온전지 생산하기 위해서는 200mAh/g이상의 용량을 지닌 양극재 개발이 요구된다. 리튬이온전지에 쓰이는 양극재 용량은 150mAh/g 수준으로, Nano-Technology 활용 및 여러 금속 조합을 통한 성능 개선 연구들이 전 세계적으로 활발히 연구 중이다. 
폭발/화재 등과 같은 리튬이온 전지의 안전성 문제는 과충/방전시 LiCoO2 구조가 불안정해지는 요인에 상당 부분 기인하며, 리튬이온 전지의 빈번한 화재/폭발 사고는 전기 자동차의 적용에 가장 큰 이슈 사항으로 꼽히고 있다.
그에 따라 주요 전지 생산업체들의 대용량 전지용 양극재 물질 선택이 분분한 가운데 BYD등중국 업체들이 LFP를 후보 물질로 채택했으며, 일본 업체들은 최근 Fe를 Mn으로 치환시킨 LMP에 기대를 하고 있다. 향후 보다 싸고, 높은 출력을 가지며, 오랜 사용에도 안정한 구조를 충족할 수 있는 Li 양극제 개발에는 많은 시간이 소요될 전망이다.

② 음극재

음극재는 충전할 때 리튬 이온을 받아들이는 역할을 하며, 주로 이용되는 물질은 흑연으로 안전성과 가역성(리튬 이온을 주고 받는 능력)이 뛰어나다. 음극재는 천연 흑연, 인조흑연, 저결정성탄소, 금속 음극제가 있으며, 가장 많이 이용되는 것은 천연 흑연(NG-core)과 인조 흑연이다. 천연흑연은 가격이 저렴하나 충전 효율이 낮아 잘 사용되지 않았으나, 중대형 이차전지의 가격적 문제로 최근 들어 천연흑연과 인조흑연을 혼합해서 사용하는 추세다.
중대형 리튬 이차전지 상용화를 위해서는 셀의 용량을 늘려야 하고, 이를 위해서는 음극재 고용량화가 필요한데, 탄소질 물질은 안정성과 가역성(Li 이온을 주고 받는 능력)은 뛰어나나 용량 측면에서 한계가 존재해왔다. 즉, 리튬 이차전지는 지금보다 최소 두 배 이상의 용량을 가져야 하며, 이를 위해서는 새로운 음극 활물질이 필요한 실정이다.
현재 음극재 국산화율이 0.1%인 분야이나 최근 GS칼텍스, 포스코켐텍, 애경유화 등 국내기업들의 진출이 활발해 국산화 가능성이 높아지고 있다.
GS칼텍스는 2007년 개발한 소프트카본계 음극재를 생산하기 위해 경북 구미에 연간 2,000t규모의 공장을 가동 중이며, 전기차용 2차전지 수요 확대에 맞춰 최대 6,000t까지 확대할 계획이라 밝혔고, 포스코켐택은 2011년 5월 충남 연기군에 음극재 생산공장을 착공했으며, 중국에서 수입한 천연 흑연광을 가공해 연간 2,500t 규모의 천연 흑연계 음극재를 생산할 계획이다.
또한 애경유화는 자체 개발한 하드카본계 음극재를 SK이노베이션이 만든 전기차용 리튬 이차전지에 적용해 성능 시험을 하는 등 상업화 연구를 진행 중이다.

③ 분리막

양극과 음극사이에서 리튬이온을 전달하는 역할을 하며, 과전류가 흐를 때 기공을 막아 전지회로를 차단하는 안전장치 기능도 수행하는 분리막은  다양한 요구 조건을 만족해야 하기 때문에 높은 기술수준과 신뢰성이 요구된다.
조건들을 충족하는 재료로써 폴리에틸렌(PE: Poly Ethylene), 폴리프로필렌(PP: Poly Propylene)등의 폴리올레핀계 다공막들이 사용되고 있다.
한편, 분리막은 제조공정에 따라 습식과 건식으로 구분할 수 있는데, 습식막은 분리막의 성형과정에서 첨가한 가소제를 유기용매로 추출할 때 발생한 기공을 연신해 확장한 것이며,  건식막은 압축 필름을 저온에서 연신해 결정계면에서 미세 균열을 발생시키는 방식이다.
나노섬유를 분리막으로 제작하는 기술이 개발되면서 배터리 용량 및 성능 안정성 개선이 기대되나 기술 및 경제성 검증에는 상당한 시간이 소요될 것으로 전망된다.

④ 전해질

양극과 음극에 리튬이온의 전달 매개체로 유기용매, 전해질염 및 첨가재로 구성되는 전해질은 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염을 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트 등의 유기용매에 용해해 전해액으로 사용한다.
전해액은 전극재료에 따라 조성을 최적화해야 하며, 용질의 종류와 농도 그리고 용매의 종류와 혼합비율에 따라 각기 다른 특성의 전해액을 얻을 수 있다.
폴리머 가소제를 사용한 전해액은 전지의 안정성을 향상시키는데, 유기용매는 발화성이 높고 액체 상태여서 누설 문제가 항상 존재해왔다. 이러한 유기 용매의 단점을 보안하고자 폴리머 가소재를 전해액으로 사용한 전지(리튬폴리머 전지)가 등장했다. 전기 자동차의 경우 높은 안전성을 요구하기 때문에 유기 용매 대신 이온전도도를 높인 폴리머 전해액이 확대 사용될 것으로 보인다.

2. 세계 리튬 이차전지 시장동향

2014년 세계 리튬 이차전지 시장은 전년대비 15% 이상 증가한 23조 원에 달한 것으로 추산된다. 2013년 세계 리튬 이차전지 시장규모는 20조 원으로 추정되며, 2014년 시장 규모는 전년대비 15% 가량 성장한 것으로 판단된다.
2014년 핸드폰 및 노트북용 소형 IT기기용 리튬 이차전지 수요는 14.7조 원으로 전체 수요의 64%를 차지했다. 하지만 2014년 이후 소형 IT용 이차전지 시장은 성숙단계에 진입해 성장률은 크게 낮아지고 2020년 시장규모도 18.5조 원에 불과할 전망이다.
향후 세계 리튬 이차전지 시장은 전기차 및 에너지저장용 중대형 이차전지시장이 성장을 견인할 것으로 추정된다. 23조 원 규모의 리튬 이차전지 시장 규모가 2020년 64조 원이 될 것으로 예상되며, 수요 증가의 가장 큰 동인은 중대형 이차전지의 수요 증가때문으로 판단된다. 전기차 한 대에 사용되는 이차전지 용량과 가격은 노트북의 1,000배, 핸드폰의 5,000배에 이르러 중대형 시장 성장의 영향력은 가히 폭발적이기 때문이다.
친환경 자동차로 주목받고 있는 전기차의 리튬 이차전지 시장은 2014년 5.7조 원에서 2020년 15.8조 원으로 연평균 20%씩 성장할 것으로 점쳐지고 있다. 전기 자동차는 보급 확대를 가로막고 있던 높은 가격, 짧은 주행거리, 충전 인프라 구축 문제 등이 해결되기 시작함에 따라 수요가 빠르게 늘어, 전기차의 수요 증가와 함께 전기차 가격의 약 40%를 차지하는 리튬 이차전지 수요도 빠르게 증가할 것으로 예상된다.
한편, 에너지저장용 리튬 이차전지 시장은 2013년 1.4조 원에서 2015년 5.3조 원 2020년 29.7조 원 규모로 급성장할 전망이다. 전기차용 리튬 이차전지 수요보다 에너지저장용 수요가 더욱더 빠르게 성장할 것으로 판단되며, 에너지저장용 리튬 이차전지 시장은 신재생에너지, 전력계통 안정화, UPS시장으로 구분된다.

중대형 리튬 이차전지 시장 확대로 관련 소재시장 규모도 2020년까지 큰 폭으로 성장할 것으로 점쳐진다. 리튬 이차전지 소재 시장은 2013년 8.5조 원 규모에서 2015년 10.2조 원 2020년 25.1조 원으로 빠르게 성장할 것으로 보인다. 소재시장 중 가장 비중이 높은 양극제 시장규모는 2014년 3.1조에서 2020년 9조 원으로 세배 가까운 높은 성장세를 기록할 전망이며, 분리막 시장은 2014년 1.2조 원에서 2020년 3.5조 원으로 성장할 것으로 추정되고, 음극재 시장은 2014년 1.1조 원에서 2020년 3.3조 원으로 늘어날 것으로 판단된다.

3. 주요 기업 동향 및 국내 리튬 이차전지 산업 동향

2013년 기준 삼성SDI가 시장점유율 28%로 1위를 차지하고 있으며, LG화학이 18%로 2위를 기록 중이다. 현재 세계 리튬이온전지 시장에서 글로벌 Top 10 업체 중에서 미국의 Maxwell을 제외한 9개 업체가 한국, 일본, 중국 기업인 리튬 이차전지 시장은 1991년 소니가 세계 최초로 상용화한 이후 20년 이상 일본 업체들의 독주가 이어져왔었다. 그러나 2000년 중반 이후 한국 업체들의 독자적인 기술 개발, 엔고/원저 상황 속에서의 가격경쟁력 확보, 주요 고객이자 계열사인 삼성전자, LG전자의 성장 등을 통해 일본 업체들을 넘어서기 시작했고, 2013년 기준 한국의 시장점유율은 36%로 세계 1위이며, 업체별로는 삼성SDI 28%, LG화학 18%로 업계 1, 2위를 차지하고 있다.
한편, 정부 지원을 바탕으로 중국 업체들의 무서운 추격이 시작되고 있으며, 일본 업체는 완제품 경쟁에서 밀리고 있지만 뛰어난 기술력으로 소재분야에서 여전히 독점적 위치를 구축하고 있다.

2014년부터 본격적인 성장이 예상되는 중대형전지 부문에서도 한국업체들이 두각을 나타내고 있다. LG화학은 GM, 포드, 현대기아차, 르노 등을 포함한 10여 개의 회사와 전기차용 중대형전지 납품계약을 체결했고, 삼성SDI는 BMW, 폭스바겐등과 계약을 진행해 초기시장을 주도하고 있다. 또한, 양적인 측면뿐 아니라 질적인 측면에서도 한국 완성전지업체들의 경쟁력은 글로벌 최상위권으로 평가받고 있다.
완성 전지업체들의 경쟁력은 세계 최고 수준이나, 리튬 이차전지 소재업체들의 경쟁력은 미흡한 상황이다. 국내 전지 제조기술은 경쟁력을 확보하고 있으나, 소재 및 핵심기술은 선진국 대비 30~40% 수준으로, 리튬 이차전지 산업의 경쟁력 강화를 위해선 핵심소재의 국산화가 절실한 상황으로 판단된다.

4. 시사점 및 결론

리튬 이차전지 시장은 전기차 및 에너지저장장치 등의 중대형 이차전지 시장 형성으로 2020년까지 높은 성장세를 기록할 전망이다. 리튬 이차전지 시장의 새로운 성장동력으로 중대형 리튬 이차전지에 대한 기대가 높은 상황이며, 2014년 이후 본격적인 개화기를 맞을  것으로 예상된다. 특히 신재생에너지 보급 확대와 전력계통 안정화를 위한 에너지저장용 리튬 이차전지 수요가 빠르게 커질 것으로 점쳐지고 있다.  
중대형 이차전지 시장의 수요 확대를 위해서는 가격절감 및 핵심부품의 성능개선이 필요하다. 특히 중대형 리튬 이차전지 수요확대를 위해선 제조단가를 낮추는 문제가 무엇보다 중요한 것으로 판단된다.
미국 전기차 협회에 따르면 전기차 원가 중 리튬 이차전지가 차지하는 비중은 29~33%로, 내연기관차 대비 가격이 비싼 전기차의 수요를 끌어올리기 위해서는 원가 비중이 높은 리튬 이차전지의 가격 하락이 가장 중요하다.
2013년 기준, 자동차용 2차전지 가격은 ㎾h 당 $600선에서 판매됐으며, 2020년까지 중대형 2차전지 가격은 추가적으로 50% 하락한 $300㎾h로 하락할 전망이다. 불과 4~5년 전만해도 ㎾h 당 $1,000였던 리튬 이차전지 가격은 40%나 떨어졌으며, 가격 하락속도와 비례해 수요도 늘어날 것으로 예상된다. 
중대형 리튬 이차전지 기업들은 시장에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 향후 3~4년 내에 중대형 2차전지 가격을 50% 이상 낮춰야 할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 규모의 경제 확보와 보다 저렴한 신소재 개발이 필요하다.

리튬 이차전지 산업의 경쟁력 확보를 위해서는 대기업과 중소기업간 새로운 협력 모델 구축이 필요하다. 리튬 이차전지 소재 개발에는 많은 비용과 시간이 투입되며, 자금력이 약한 중소기업이 기술 개발부터 양산까지 비용을 감당하기에는 큰 애로점이 존재한다. 기술개발 후 완제품을 만들어 중소기업이 대기업에 납품하는 현재 구조는 중소기업이 감당하기에는 위험요인이 너무 많아 우수한 제품 개발 확률이 낮아지기 때문이다.
국내 리튬 이차전지 산업의 경쟁력을 업그레이드 하기 위해선 소재분야의 경쟁력 확보가 필요하고, 이를 위해서는 중소기업과 동반성장 모델이 요구된다. 소재분야의 경우 기술력 확보한 중소기업이 특화할 수 있는 분야이며, 일본의 경쟁력의 원천은 소재분야에 특화된 중소기업에 있다. 우리도 제품 개발 단계에서부터 대기업과의 협력을 통해 제품 개발에 필요한 인력 및 비용지원을 통해 효과적인 협력 모델 구축이 이뤄져야 할 것이다.

미국 에너지부 산하 브룩헤이븐 국립연구소 및 스토리브룩대학(Stony Brook University)의 과학자들은 엑스선을 사용해 원자 아키텍처의 변화를 지도화하고, 전지 방전속도와의 관련성을 밝혀냈다.
본 연구에서는 전지의 초기 낮은 방전속도가 더 균일하고 광범위한 전도성 네트워크를 형성함을 보여줌으로써 새로운 디자인이나 최적화 기술에 활용할 수 있도록 했다.
연구팀은 브룩헤이븐 국립연구소의 NSLS(National Synchrotron Light Source)의 Bright X-Ray빔을 이용해, Silver Vanadium Diphosphate(Ag2VP2O8) 성분을 포함한 리튬 전지 전극의 문제점을 분석했다.
이 유망한 Cathode 물질은 인체 내 매식 가능한 의료기기에 활용이 가능할 정도로 높은 안정성, 높은 전압을 보유했다. 이 연구의 핵심은 매트릭스 형성에 대한 정보를 제공한다.
이런 일회용 전지가 방전할 때, 리튬 이온은 은 이온을 대체하면서 전극에 저장된다. 대체된 은은 자유 전자와 결합하고, 사용되지 않은 Cathode 물질은 전도성 은 매트릭스를 형성한다.
전지 내 Cathode에서 발생되는 프로세스를 시각화하고, 은 네트워크가 형성되는 것을 관찰하기 위해 철로 된 전지 케이싱을 투과할 수 있는 고강도 X-Ray를 갖춘 초정밀 시스템이 필요했다. 이 때문에 연구팀은 NSLS의 장비를 활용하게 되었다고 밝혔다.
한편, NSLS는 32년간의 가동을 마쳤고, NSLS보다 10,000배는 더 강력한 NSLS-II가 후속 연구에 사용될 예정이다.
NSLS-II는 조만간 산업계, 학계 및 연구소에서 사용할 수 있도록 개방될 것이라 전했다.

▲ 방전되지 않은 cathode의 광학 영상(사진. KISTI 미리안)

한 바퀴 돌아오는 전기의 길

전기도 흐르는 길이 있다. 

전기를 내보내는 소스 즉 전원(電源)에서 흐르기 시작해 도중에서 작업을 하고 다시 출발점인 전원으로 되돌아오는 것이다. 이렇게 전기가 한 바퀴 돌아서 다시 출발점으로 되돌아오는 순환회선을 루프(回路)라고 한다.

도로에 포장된 넓은 길, 좁고 울퉁불퉁한 골목길 등 다양하듯이, 전기에도 이와 비슷한 현상이 있는데 이것을 바로 저항(抵抗)이라고 한다.

전원에서 나온 전기는 전구나 라디오, 세탁기, 냉장고 등 전기기구를 만나 이들을 작동하게 하는 작업을 하며, 이때 전기를 사용해 작동하는 물체를 부하(負荷)라고 한다. 이렇게 전원에서 나와 부하를 거쳐 다시 전원으로 돌아가는 루프를 전기회로라고 한다. 전원이란 구체적으로 전지나 발전기를 의미한다. 

우리는 흔히 ‘전기를 쓴다’는 식으로 표현한다. 그 때문에 전원에서 나온 전기가 전기기구를 작동시키게 되면 점점 전류가 적어져서 전원으로 돌아간다고 생각하는 사람도 있을 것이다. 그러나 전원에서 나간 전류의 크기와 전원으로 돌아오는 크기는 항상 같다. 즉 회로의 도중에서 만들어지거나 소멸하지 않는다는 것이 전류의 중요한 성질이다.

전기회로를 구성하는 요소로서 이미 전지, 저항 등이 나왔지만, 실제의 회로에는 이밖에도 스위치, 콘덴서, 코일 등  여러 가지가 있으며, 이들을 능률적으로 나타내기 위해 회로도를 그린다. 이 회로도를 결선도(結線圖)라고도 한다.