1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 실리콘 음극 대체 전지 기술
- 실리콘 음극의 이론 용량은 약 3,580mAh/g으로, 상용 음극인 흑연 용량의 10배 수준
- 그러나 충･방전 시 실리콘의 심한 부피 변화로 인해 전극 구조가 불안정하여, 배터리 수명이 짧다는 단점을보유
- 실리콘 입자의 크기 제어 및 고분자 바인더의 도입을 통해 실리콘 음극의 안정성을 개선하기 위한 연구가 진행 중1)
● 리튬-황 전지 기술
- 리튬-황 전지는 이론적으로 기존 LIB 대비 3~5배 이상의 에너지 밀도(2,600Wh/kg, 2,800Wh/L)를 보유
- 유황은 자원이 매우 풍부하여 전지의 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 보유2)
● 리튬 금속 전지 기술
- 리튬은 표준산화환원전위가 가장 낮은 물질이며(-3.04V vs. SHE), 흑연 대비 10배의 용량(3,860 mAh/g)을 보유
- 리튬의 높은 반응성 및 부피 변화에 따른 안정성, 가역성 문제 개선이 필요3)
● 수계 이차전지 급속 충･방전 기술
- 수용액 전해질을 채용하는 이차전지 기술로, 상용 LIB에 비해 안전과 급속 충･방전 도모가 가능 - 구동 원리는 기존 LIB와 동일하나, 수계 이차전지의 경쟁력 확보를 위한 고용량 소재의 발굴 및 가용 전압
범위 확대 기술이 요구
● 전고체 전지 기술
- 전해질을 고체로 대체함으로써 기존 LIB보다 안전성, 에너지밀도, 장수명 등의 장점을 갖지만 생산 과정이 복잡하고 공정 단가가 높은 건식 공정에 제한이 있다는 단점을 보유
- 저가 공정으로의 다변화와 함께 전극과 고체전해질의 계면에서 발생하는 반응 메커니즘을 파악하여 저항을 완화시킬 수 있는 기술 개발이 필요
1) Nat. Rev. Mater., 1, 16013 (2016) 2) Nat. Mater., 11, 19 (2012)
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 실리콘 음극 대체 전지
-2016년 실리콘 음극 시장규모는 약 12억 달러이며, 2024년까지 약 46억 달러 규모로 성장할 것으로 전망 - 실리콘의 용량 활용 및 전극 안정성 확보를 위해 5~10%의 실리콘을 인조흑연과 배합하여 사용4)
● 리튬-황 전지
-LIB와 달리 양극재의 국내 수급이 가능하고, 저가이기에 전지 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 보유 - 전기자동차 십만 대 기준 원재료비 $65/kWh 수준이 달성 가능한 에너지저장 매체로 리튬-황 이차전지가
가장 유망5)
● 리튬 금속 전지
- 세계 드론시장 규모가 2015년 40억 달러에서 2024년 147억 달러로 급증할 것으로 예상
- 드론 산업에 중요한 경량화 기술에 있어, 무게 당 용량이 높은 리튬 금속 전지를 사용할 경우 경량화 및 에너지 밀도 상승이 가능
- 리튬 금속 음극의 높은 무게 당 용량의 특성을 통해 경량화 기술이 중요한 산업에 적용할 수 있을 것으로 기대6)
● 수계 이차전지
-ESS 시장규모는 국내･외적으로 최근 급증하였고, 향후 확대될 것으로 예측
- 국내에서는 2018년 상반기에 전년 동기 대비 20배 증가한 1.8GWh를 보급(지난 6년간의 총 보급량은 1.1GWh)
-ESS는 전력 계통의 안정화를 위한 에너지 저장/변환 장치로, 전력의 실시간 수요/공급 상황에 따른 고율 구동이 필요하며, 수계 이차전지는 급속 충･방전 특성을 지니고 있어 ESS의 고율 구동에 적합한 기술7)
● 전고체 전지
- 중대형 LIB 시장은 매년 평균 140% 정도의 성장세를 가정했을 때 2020년 155,430MWh에 달할 것으로 예측되는데, 개발될 경우 전기자동차, ESS 등 높은 에너지밀도를 요구하는 분야에 우선 적용될 것으로 예상되며, 차세대 소형기기인 웨어러블 및 플렉시블 전자기기에도 활용 가능8)
4) Maximize Market Research
5) SNE Research, 리튬-황(Li-S) 이차전지 기술개발 현황 및 전망 (2018) 6) KB금융지주 경영연구소
7) 산업통상자원부, 보도자료 (2018.07.18.) 8) 일본 야노경제연구소 (2015)
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 실리콘 음극 대체 전지
- 충･방전 시 나타나는 실리콘의 심한 부피 변화로 인해 전극이 안정적으로 유지되지 못하며, 수명이 짧다는 한계가 존재
- 나노 크기의 실리콘 도메인이 분산된 형태의 음극재 및 전극의 안정성 향상을 위한 새로운 고분자 바인더 개발이 진행 중
● 리튬-황 전지
- 부도체인 유황은 전극 제조 시 많은 양의 도전재가 필요하므로 리튬-황 전지의 장점인 에너지 밀도에 손해가발생하여 양극재의 전기전도도 향상을 위한 소재 개발이 진행 중
- 충･방전 시 중간 생성물인 리튬 폴리설파이드가 전해액으로 용출되는 셔틀 반응에 의해 용량 감소 발생 및 리튬 음극 표면에 부도체 화합물이 형성됨에 따라 개선 연구가 진행 중
● 리튬 금속 전지
- 리튬 금속의 높은 반응성으로 인한 안정성 문제 및 수지상 성장으로 인한 낮은 가역성, 전해질 고갈 문제가 발생
- 리튬 금속의 안정성 및 가역성을 확보하기 위한 보호막 연구와 액체 및 고체 전해질 연구가 진행 중9)
● 수계 이차전지
- 낮은 구동 전압과 수소･산소 발생의 문제가 발생
- 물의 열역학적 분해 전압 구간은 약 1.23V로, 해당 구간에서 전기화학 반응 시 수소 및 산소가 발생하여 전해질이 소모되고 셀 기압이 상승
- 물 분해 억제와 낮은 구동 전압을 보완하기 위한 고용량 소재 개발이 필요
● 전고체 전지
- 전극･전해질 계면 저항으로 인한 전지 성능 저하 및 고온･고압으로 인한 높은 공정비용이 발생
표 1 주요 기술 및 이슈
구 분 세 부 내 용
실리콘 음극 전지 실리콘을 함유한 새로운 음극재 개발
실리콘 전극의 안정성 향상을 위한 고분자 바인더 개발 리튬-황 전지 높은 황 함유 및 전기전도성, 낮은 셔틀 반응을 갖는 소재 개발 리튬 금속 전지 수지상 제어 및 전기화학적 가역성 향상 기술 개발
수계 이차전지 수소/산소 발생 억제 및 구동 전압 극대화
전고체 전지 전극/전해질 계면 저항 완화 및 후막/박막형 공정 도입
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 서울대학교
- 실리콘 음극 대체 전지 : 폴리로텍세인(Polyrotaxane)이 함유된 분자도르래 바인더를 개발, 마이크론 스케일의 실리콘 입자를 음극으로 활용하여 약 2.5mAh/cm2의 높은 용량에서 150회 이상 충･방전이 안정적으로 가능함을 보고10)
- 리튬-황 전지 : 역가황 반응을 이용하여 80% 이상의 황을 함유하는 황/고분자 복합체 개발, 가공이 용이 하고 리튬-황 전지 양극재로 사용 시, 823mAh/g의 높은 비용량에서 100회 이상의 안정적 충･방전이 가능함을 보고11)
- 수계 이차전지 : V6O13 조성의 바나듐 산화물 양극재를 합성, 수계 Zn 이차전지에서 1분 이내로 약 140mAh/g의 충･방전 용량 구현을 확인하였는데, 고율 특성은 Zn2+이온과 물 분자의 동시 삽입으로부터 기인12)
● 한국과학기술연구원
- 리튬 금속 음극 : 리튬의 수지상 성장을 억제하기 위해 그래핀계 나노소재를 리튬 금속에 고르게 퍼뜨려
‘랭뮤어-블라젯 인조 고체-전해질 계면상’의 보호막을 형성하였고, 보호막-전해질 간의 배합을 통해 1,200회 이상의 수명특성을 구현하였으며, 리튬의 양을 줄여도 200회 이상의 수명특성을 구현13)
10) Science, 357, 279 (2017) 11) Nat. Chem., 5, 518 (2013)
12) Adv. Energy Mater., 9, 1900083 (2019) 13) Nat. Energy, 3, 889 (2018)
● 한국생산기술연구원
- 전고체 전지 : LLZO 고체전해질을 시트로 제작한 후 집전체의 한 면을 복합 양극층, 다른 한 면을 리튬 금속으로 적용한 용량 8Wh, 면적 11cm×12cm의 bipolar 전고체 전지를 제조, 완전셀을 0.33C로 400회 충･방전 실시한 결과 용량이 약 84%가 유지되는 특성을 확인14)
2.2. 해외 동향
● Georgia Institute of Technology, 미국
- 실리콘 음극 : Alginate를 바인더로 사용하여 실리콘 나노 입자 전극의 수명 향상 보고하였으며, 약 2,000mAh/g의 높은 비전하 용량 기준에서 100회 충･방전 시 전극의 용량의 80% 이상을 유지15)
● Massachusetts Institute of Technology, 미국
- 리튬-황 전지 : 유황-Mo6S8하이브리드 양극재를 개발하여 기계적 물성, 리튬 이온 및 전기 전도도를 향상시켰으며, 카본 양을 10wt%로 낮춰 황의 로딩을 10mg/cm2로 올려 높은 에너지밀도(366Wh/Kg, 581Wh/L)를 구현16)
● 폴리플러스, 미국
- 리튬 금속 음극 : 전도성 유리 분리막을 이용하여 리튬 금속전지에 적용하였고, 연속적인 단일체 형태의 유리층은 유연성을 가지며 높은 전도성을 갖는 것을 확인하였으며, 유리 분리막을 통하여 수지상 성장을 억제
● The University of Maryland-U.S. Army Research Laboratory, 미국
- 수계 이차전지 : 초고농도 수용액 전해질( 20m LiTFSI/H2O)을 채용하여 3.0V로 전압 범위를 확대 하였으며, 약 2.3V의 구동 전압으로 1,000cycle 동안 안정적인 수계 리튬 이차전지를 개발하였는데, 해당 연구는 고농도 전해질을 활용한 수계 이차전지 분야의 연구가 급증하는 데에 기여17)
● TOYOTA, 일본
- 전고체 전지 : 일본은 2000년대 초반부터 토요타 자동차를 중심으로 전고체 전지 개발에 박차를 가하고 있고, 400Wh/L급 중형 전고체 전지의 성능을 확보 및 전 세계에서 최다 전고체 전지 특허를 보유하고 있으며, 2022년까지 25.0Ah 이상의 전고체 전지를 탑재한 전기자동차를 생산하는 것이 목표
14) Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 56, 422 (2017) 15) Science, 334, 75 (2011)
16) Nat. Energy, 4, 374 (2019)
3 시사점(기술수준)
● 이차전지 제조 생산능력은 세계 최고 수준, 각종 차세대 이차전지에 대한 원천 기술은 일본 등의 선진국 대비 열세
- 전기자동차(EV), 대용량 전기저장장치(ESS) 등 중･대형전지 기술의 보급 확대에 따라, 모바일 IT기기 등소형전지 기술에서 강세를 띤 국내 기업이 해당 분야에서도 세계 최고 수준의 생산능력을 확인 (<표 2> 참조)
-EV용 전지의 시장점유율 지표에서도 Panasonic(일본 기업, 세계 1위)의 뒤를 이어 국내 기업인 LG화학 (세계 2위), 삼성SDI(세계 5위)가 추격
- 전고체 전지, 수계 전지 등 차세대 이차전지 분야에 관한 국내 연구 기관의 원천기술은 일본, 독일 등의 기술 선진국의 원천기술보다 다소 미흡
표 2 한국･일본 주요 업체의 생산능력 추이 및 전망18)
(단위 : GWh)
구분 제조사 2016 2017 2018(F) 2019(F) 2020(F)
한국
LG화학 11 20 35 55 90
삼성SDI 7 7 15 24 35
SK이노베이션 1 1 5 5 20
계 19 28 55 84 145
일본 Panasonic 10 20 40 55 65
18) 이원식･고문영, 2019년 반도체/디스플레이 전망 (2018)