우리나라의 핵심 주력 산업인 이차전지가 다시금 주목받고 있으며, 세계 시장에서도 맹위를 떨치고 있는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온이 K-배터리의 위상을 높여가고 있다.

이차전지는 고성능화ㆍ저비용화를 통해 지금까지 소형 디바이스에 탑재하는 것에서부터 최근에는 전기차를 포함한 ESS 등 대형기기에서의 활용까지 급속도로 발전되고 있으며, 또한, 드론, 로봇, 스마트홈 등 미래산업 핵심 기술로도 적용이 가능하며 다양한 산업으로 확장 가능성이 있다.

 

글로벌 이차전지 시장규모는 주력 시장인 전기차 보급률이 크게 확대되면서 향후 10년간 8배 성장하며, 특히 전체 시장에서 60% 이상의 점유율을 차지하고 있는 전기차용 이차전지는 향후 동 기간 10배 확대될 것으로 전망되고 있다.

 

한편, 이차전지 기술에는 고난이의 사안도 많아, 장기적인 기술 전개도 쉽지만은 않다. 또한 애플리케이션별로 요구되는 사양 및 특성이 크게 다르다는 것 역시 이차전지 기술을 이해하는 데 있어서 장해물이 되고 있다.

스마트폰용 파우치형 배터리에서는 기존의 흑연 음극과 코발트산 리튬(LiCoO2 : LCO) 양극을 조합한다는 것에는 변함이 없지만, 스마트폰의 크기가 커지고 얇아지며, 기능이 강화됨에 따라 에너지 밀도 향상, 급속 충전 대응 및 그에 따른 높은 안전ㆍ신뢰성이 지속적으로 요구되고 있다.

전기차(EV) 용도로는 각형 또는 파우치형으로 안전성을 중시하는 관점에서 처음에는 망간산 리튬(LiMn2O4 : LMO) 양극을 채용했지만, 항속 거리 연장에 대한 요구로 인해 니켈 코발트 망간 삼원계 산화물(LiNiXCoYMnZO2 : NCM) 양극으로 옮겨가고 있으며, 비용 절감, 에너지 밀도 강화에 대한 요구로 인해 CO 절감/프리화, Ni 강화가 추진되어, 에너지 밀도도 민생 용도에 가까워지고 있다.

 

이처럼 이차전지는 종류에 따라 각각 작동 원리, 특징, 과제가 다르기 때문에, 기술을 발전시키는 방법도 이차전지의 종류에 따라 달라진다. 이차전지의 종류를 한정한다 해도 구성하는 재료 및 그 조합 방법에 따라 특성이 크게 좌우되기 때문에 개별적인 기술의 발전에 대해 전망하는 일도 쉽지 않다.

 

하지만, 자동차의 전기화, 전력 자유화, 재생에너지 및 스마트 커뮤니티의 사회 보급 확대 등으로 인해 향후 이차전지의 역할과 수요가 대폭 확대될 것임은 틀림없는 사실이다. 향후 보다 큰 시장 확대를 기대하고, 용도에 맞는 이차전지의 성능을 더욱더 향상시키기 위하여 각국의 산ㆍ관ㆍ학들이 전력을 다하여 R&D 및 실증 사업을 실시하고 있다.

 

이차전지 중 ‘차세대 배터리’라 불리는 전고체전지가 드디어 실용화 직전 단계에 접어들었다. 전고체전지는 폭발과 화재 등의 위험성이 없어 안전성과 관련된 부품들을 줄이고, 그 자리에 배터리 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채운다. 최근에는 다수의 업체들이 전고체전지 샘플 및 장착한 전기차를 제조하고 있다.

하지만, 실질적으로는 100% 고체 전해질로 만들어진 완전한 전고체 배터리가 아닌 '반고체 배터리'로 평가되고 있다. 아직까지는 생산 공정 미성숙과 높은 생산 비용 등이 높다는 등의 과제를 안고 있다.

 

두 번째, 연료전지 시장은 점차 주요국별 보급정책의 범위와 지원 내용이 확대되면서 성장하고 있다. 특히 국내에서는 수소경제 활성화 로드맵 발표로 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 정부가 에너지전환정책의 일환으로 수소경제 정책을 펼치고 있는 가운데 수소경제 내에서 친환경 분산발전원 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다. 발전용 연료전지는 도심에 위치하는 분산전원에서 대규모 전원으로도 활용이 가능하기 때문에 저공해, 고효율 측면에서 활용도가 높아질 것이다.

또한 중요한 수요처인 수소차 시장에서는 상용차를 중심으로 점차 확대시켜 나가려고 한다. 우선 버스와 트럭 같은 대형 화물차의 미세먼지 배출량은 승용차 대비 250배나 높으며, 대형일수록 주행거리와 적재중량이 중요하기 때문에, 밀도가 높은 수소가 상대적으로 유리하다.

이외에도 연료전지열차, 수소연료전지항공기, 수소 드론까지도 활발한 연구 및 개발이 진행되고 있다.

 

마지막으로 태양전지는 대표적인 신재생에너지라고 할 수 있는 태양광 발전의 도입이 확산되는 것이 세계적 추세인 가운데, 연구개발의 중요성이 더욱 증대되고 있으며 에너지 변환 분야에서는 고효율ㆍ저비용의 혁신적 태양전지 개발이 적극적으로 이루어지고 있다.

 

보급하는 데 필요한 효율 향상ㆍ비용 절감을 실현하기 위해 아주 오래전부터 실용화된 실리콘의 단결정/다결정/박막계, 고효율 태양전지의 대표인 III-V 화합물계, 저비용 고효율이 특징인 CdTe, CIS계에 더하여, 최근에는 연구개발 인구가 증가함으로써 효율이 급상승한 페로브스카이트계 등에 대한 기술적 검토가 이루어지고 있다. 이에 더해 미래의 초고율화를 위한 차세대 태양전지도 주목받고 있다.

 

이미 이용되고 있는 가정용 태양전지, 태양전지 발전소용 전지와 더불어, 농업용 솔라 셰어링(Solar sharing), 제로에너지빌딩(net Zero Energy Building) 구현, 환경발전이라는 관점에서, 건재 일체형 태양전지, 실내에서 고효율을 실현할 수 있는 태양전지, 전기차(BEV)나 하이브리드 자동차(HEV, PHEV)용 태양전지, 비행기용 태양전지(솔라 임펄스), 히트펌프 등을 활용한 열 수요에 대한 전력 에너지 공급 등의 용도에 따른 태양전지가 요구되고 있다.

 

이에, IRS글로벌은 주목받고 있는 (전고체)이차전지, 연료전지, 태양전지 분야에 관심이 있는 기관ㆍ업체의 실무담당자들에게 연구개발, 사업전략 수립의 기초자료를 제공하기 위하여, 본서를 기획하였다.

 

모쪼록 유용한 정보로 활용되어 미력하나마 전지 관련 산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 자료가 되기를 기대해본다.

 

 

 

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